[發(fā)明專利]基于代理模型的渦扇發(fā)動機噴流噪聲實時計算及預(yù)測方法

有效

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• 申請日: 2019-11-19
• 公開（公告）號: CN111079325B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙曉春;黃向華;孫慶彪;劉喬;王圣超;孫越
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/10
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 嚴海晨

本發(fā)明涉及一種基于代理模型的渦扇發(fā)動機噴流噪聲實時計算及預(yù)測方法，包括：利用渦扇發(fā)動機噴流結(jié)構(gòu)特點，對通用噪聲模型進行簡化，構(gòu)建渦扇發(fā)動機噴流噪聲的代理模型結(jié)構(gòu)；構(gòu)建渦扇發(fā)動機噴流流場有限元模型，模擬正交試驗并獲取噪聲樣本；利用噪聲樣本數(shù)據(jù)對代理模型進行求解；利用大氣條件、飛行速度和噴管幾何尺寸修正噪聲模型，最終得到具備一定精度的噴流噪聲實時模型。本發(fā)明解決了航空發(fā)動機噴流噪聲數(shù)值計算過程中，傳統(tǒng)的計算流體動力學方法計算量龐大、無法覆蓋整個飛行過程中的噪聲狀況和達不到實時仿真需求等問題，為渦扇發(fā)動機主動噪聲控制提供依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種基于代理模型的渦扇發(fā)動機噴流噪聲實時計算及預(yù)測方法，屬于航空發(fā)動機建模與仿真技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

飛機的噪聲輻射是民機適航取證的強制性標準，各國對于噪聲進行限制的機場數(shù)目也在逐年上升，因此飛機的噪聲設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為大型運輸機的主要競爭籌碼之一，影響其海內(nèi)外市場的運營。民用運輸機廣泛采用的大涵道比渦輪風扇發(fā)動機的噪聲輻射是飛機噪聲的主要原因。渦扇發(fā)動機的噪聲可以分為噴流噪聲、風扇噪聲、燃燒室噪聲和渦輪噪聲，其中噴流噪聲可以近似看成與噴流速度的高階次方成正比，隨著噴流速度的增加噴流噪聲會急劇增大，是發(fā)動機最主要的噪聲源。

仿真技術(shù)是支撐航空發(fā)動機自主研發(fā)的重要手段，可以大幅提高航空發(fā)動機的研發(fā)效率和質(zhì)量，縮短研制周期，降低研制成本。目前國內(nèi)外已知的發(fā)動機整機模型很多，大多利用發(fā)動機的部件特性，建立發(fā)動機的非線性部件級模型，使用Newton-Raphson等方法求解非線性方程組，或利用容積動力學方法取代經(jīng)典迭代算法，實現(xiàn)發(fā)動機的實時模型仿真。但在進行發(fā)動機的噪聲設(shè)計時，往往是直接按照隨時間變化的非定常過程計算，如使用各種CFD軟件，該方法計算量龐大，往往只能計算多個樣本點，無法覆蓋整個飛行過程中的噪聲狀況，遠遠達不到實時仿真的需求，發(fā)動機噪聲仿真的效率問題是目前提高發(fā)動機的噪聲設(shè)計效率、噪聲適航評估系統(tǒng)開發(fā)、噪聲主動控制和多學科設(shè)計優(yōu)化等技術(shù)的主要瓶頸。基于上述問題，國內(nèi)尚未見有公布帶噴流噪聲預(yù)測功能的渦扇發(fā)動機實時模型。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出的是一種基于代理模型的渦扇發(fā)動機噴流噪聲實時計算及預(yù)測方法，其目的在于針對發(fā)動機噪聲設(shè)計過程中，傳統(tǒng)方法計算量龐大、無法覆蓋整個飛行過程中的噪聲狀況、達不到實時仿真需求等問題，通過利用渦扇發(fā)動機噴流的特征，對通用噴流噪聲計算方法進行簡化和改進，提出了一種滿足實時仿真要求的渦扇發(fā)動機噴流噪聲模型，可以對噴流噪聲大小進行實時仿真計算以及配合發(fā)動機的性能參數(shù)對噪聲進行預(yù)測。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：基于代理模型的渦扇發(fā)動機噴流噪聲實時計算及預(yù)測方法，包括以下步驟：

（1）構(gòu)建渦扇發(fā)動機噴流噪聲代理模型：通過對發(fā)動機噴流噪聲的特性分析，根據(jù)噪聲源類型的不同，將分開排氣的渦扇發(fā)動機噴流流場分為四個部分進行分析和計算，分別為噴流核心區(qū)、充分摻混區(qū)、外環(huán)剪切層和內(nèi)環(huán)剪切層，針對不同的區(qū)域，對噪聲求解方程進行簡化；通過噪聲求解方程分別計算外環(huán)剪切摻混噪聲、內(nèi)環(huán)剪切摻混噪聲、充分摻混區(qū)噪聲和尾椎分離噪聲，再通過各個部分的噪聲疊加，得出噪聲源總聲壓級；

（2）建立噴流有限元模型獲取噪聲樣本數(shù)據(jù)：建立渦扇發(fā)動機噴流流場的有限元模型，利用通用計算流軟件計算其噴流噪聲輻射，流場區(qū)域選擇以噴管中心為圓點，100倍噴管直徑大小為半徑的球體，關(guān)注噴流噪聲的遠場噪聲輻射大小，采用正交實驗法，計算不同噴流流速下，步驟（1）中各個流場區(qū)域不同指向角的采樣點的噪聲大小，作為噪聲樣本用于對噪聲模型的求解；

（3）利用噪聲樣本數(shù)據(jù)求解代理模型：利用步驟（2）中得到的各個區(qū)域的噪聲樣本，對步驟（1）中得到的噴流噪聲代理模型的相關(guān)系數(shù)進行求解，待求解的參數(shù)包括各個區(qū)域噪聲模型的密度項系數(shù)、速度項系數(shù)和常數(shù)項，辨識方法采用麥夸特法；

（4）利用飛行速度、攻角和發(fā)動機噴管幾何尺寸修正噪聲模型。

所述步驟（1）構(gòu)建渦扇發(fā)動機噴流噪聲代理模型，包括以下具體步驟：