Аналіз шуму авіаційного двигуна за допомогою імітаційного моделювання

1. Що ж це за шум?
2. Моделювання шуму авіаційного двигуна
3. результати

Наши партнеры ArtmMisto

Протягом багатьох років зниження шуму авіадвигуна було пріоритетним завданням для авіаційної промисловості. Звичайно, мінімізація випромінювання шуму вимагає розуміння шуму двигуна. Це завдання може стати досить важкою через складну природи авіаційних систем і конфігурацій. Ми використовуємо модель труби авіаційного двигуна для більш глибокого розгляду акустичного поля в авіаційних двигунах.

Що ж це за шум?

Вирушаючи в аеропорт або проїжджаючи повз нього, ви, ймовірно, могли спостерігати, як літак, готуючись до посадки, летить прямо над головою. Найчастіше ми захоплюємося видом авіалайнера, що летить так низько над землею, але дещо ще привертає увагу. Це звук, який виробляє літак. Ми бачимо його перед приземленням протягом одного короткого миті, а уявіть, як це жити неподалік від аеропорту і чути цей звук час від часу протягом дня. З цієї точки зору зрозуміло, чому проблема авіаційного шуму стала такою поширеною темою для занепокоєння.

З тих пір як це стало суспільною проблемою в 60-х роках 20-го століття, нові постанови і вишукування привели до розробки більш тихого літака. Одним конструктивним елементом, який виявився успішним в рамках цього процесу, став турбореактивний двигун з високим ступенем двоконтурного . Особливість цих використовуваних в більшості літаків двигунів - це вентилятор, який захоплює вступник повітря. У міру того як повітря проходить через вентилятор, частина надходить в камеру згоряння, а частина, що залишилася обтікає двигун. У порівнянні з попереднім турбореактивним двигуном, в якому все повітря проходить через газогенератор, турбовентиляторний двигун створює менше авіаційного шуму, а також забезпечує більш сильну тягу на низьких швидкостях.

Турбовентиляторний двигун CFM56. ( "CFM56 P1220759" автор David Monniaux. Ліцензоване Creative Commons Атрибуція - На тих же умовах 3.0 , за допомогою Вікісховища ).

З цієї поліпшеною технологією двигуна наступним кроком стає аналіз акустичного поля турбовентиляторного двигуна в якості спроби оптимізувати його конструкцію. Для цього ми можемо почати імітацію.

Моделювання шуму авіаційного двигуна

Для аналізу шуму авіадвигуна ми можемо використовувати модель потоку в контурі двигуна в пакеті COMSOL Multiphysics. Особливість цієї моделі - аксіально симетрична труба всередині турбовентиляторного двигуна. Це наближена модель впускний камери турбовентиляторних двигунів лінійки CFM56 (ці двигуни досить часто використовуються в авіалайнерах). У цьому прикладі передбачається, що потік повітря є стисливим, безвихровим, нев'язки і має постійну ентропію. При моделюванні з лінеаризоване рівняннями потенційного потоку акустичне поле виглядає як обурення на поверхні фонового потоку. З урахуванням цього поля тиску і швидкості пов'язані безпосередньо і виводяться з так званого потенціалу швидкості.

Геометрія контуру.

У цій моделі z = 0 це вихідна площина і місце розташування вентилятора в реальній конфігурації двигуна. Джерело шуму знаходиться на цій межі. У той же час z = L являє собою носове закінчення двигуна і відомо як площину впуску. Змінні R1 і R2 показують контури обтічника і стінки воздуховода.

У цьому дослідженні ми моделюємо випадки зі стискає вихровим фоновим потоком і без нього. З числом Маха M = -0.5 (потік в негативному z напрямку) і M = 0 (немає потоку), відповідно. В ході аналізу також порівнюється застосування твердої і зморшкуватою стінок усередині контуру двигуна.

результати

В першу чергу модель вирішує фоновий потік, передбачається, що він стаціонарний. У такому випадку відповідний акустичний джерело отриманий (дан поширюється нормальний режим). Нарешті акустичне поле знайдено.

Для випадку із середнім фоновим потоком (M = -0.5) було виявлено, що потенціал швидкості постійний за межами термінальній площині (контурні лінії на ілюстрації нижче). Крім того, відхилення в значенні середньої щільності (через те, що повітряного потік стискується) найбільш поширилися в неоднорідних зонах геометрії воздуховода. Таких, як верхівка обтічника. Ці відхилення виділені червоним і синім кольорами на малюнку нижче.

Ілюстрація поля середнього потоку для початкової площини M = -0.5. Кольорові поверхні відповідають фонової щільності і контурні ділянки потенціалу швидкості.

Тепер, використовуючи ці результати, ми можемо обчислити нормальні режими для акустичного поля в джерелі шуму. З цим можна уявити певну складову джерела шуму двигуна на даній частоті. Графік нижче відображає підсумковий контур потенціалу швидкості для першого осьового граничного режиму в початкової площини при M = -0.5 і M = 0.

Графік показує підсумковий контур потенціалу швидкості для самого тихого режиму.

Коли у нас вже є фоновий потік і джерело, завдання акустичного поля може бути вирішена. Результати (нижче) можна порівняти з результатами для аналогічної системи, описаної авторами Rienstra і Eversman (2001).

У випадках без фонового потоку, розподілу акустичного тиску для обох (твердої і зморшкуватою) стінок були добре співвідносилися з результатами отриманими Rienstra і Eversman. У випадку зі середнім потоком і твердої стінкою результати добре поєднуються з іншими рішеннями. Як би там не було, в разі зморшкуватою стінки з'явилося кілька помітних розбіжностей, а саме поруч з вихідної площиною. Ці відмінності можна пояснити розбіжністю у визначенні джерела шуму. У цій моделі, режим джерела була отримана для випадку твердої стінки труби, в той час як в порівнюваних результатах моделювання використовувався джерело шуму адаптований до акустичної підкладці.

Розподіл тиску в акустичному полі для твердої (верхньої) і зморшкуватою (нижньої) стінки труби в випадках без слабкого потоку (M = 0).

Розподіл тиску в акустичному полі для твердої (верхньої) і зморшкуватою (нижньої) стінки труби у випадках із середнім потоком (M = -0.5).

Модель, представлена ​​тут, дуже концептуальна, але вона може бути потенційно розширена для більшої кількості складних ситуацій. Моделюючи ці системи, можливо оптимізувати форму певних частин контуру двигуна і основних властивостей, щоб зменшити поширення звуку. Така оптимізація повинна звичайно йти рука об руку з контролем властивостей потоку для того щоб не погіршувати продуктивність двигуна.

Додаткові матеріали для читання