【摘 要】
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干涉噪声是转-静风扇系统气动噪声的重要组成部分,如何有效降低干涉噪声已成为制约转-静风扇系统工程应用的关键技术。目前传统的降噪方法已无法满足工程中严苛的降噪需求,近年来,随着仿生学的发展,其衍生出的仿生流动控制技术已成为气动噪声控制的研究热点。本文以圆柱-翼型干涉噪声模型为研究对象,通过试验测量和数值模拟相结合的方法研究了沟槽结构和仿生波状前缘结构的降噪性能和流动控制机理,并在某重型装甲车辆的散热
【基金项目】
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国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”项目“大型复杂过流曲面构件仿生设计制造基础”项目(编号:2018YFA0703300)
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干涉噪声是转-静风扇系统气动噪声的重要组成部分,如何有效降低干涉噪声已成为制约转-静风扇系统工程应用的关键技术。目前传统的降噪方法已无法满足工程中严苛的降噪需求,近年来,随着仿生学的发展,其衍生出的仿生流动控制技术已成为气动噪声控制的研究热点。本文以圆柱-翼型干涉噪声模型为研究对象,通过试验测量和数值模拟相结合的方法研究了沟槽结构和仿生波状前缘结构的降噪性能和流动控制机理,并在某重型装甲车辆的散热风扇开展应用试验,主要工作如下:(1)阐述散热风扇气动噪声的数值计算方法,确定了本文中气动噪声的数值研究均采用LES与FW-H声类比方程相结合的混合计算方法,确定了散热风扇运动区域的瞬态流动通过滑移网格模型求解。(2)基于数值模拟研究了装甲车散热风扇干涉噪声的产生机理以及噪声源位置。在转速2000rpm的条件下,此散热风扇上游静子产生的尾迹涡流向下游发展,撞击下游转子叶片吸力面前缘,导致该区域压力变化剧烈,前缘压力脉动最大,为散热风扇主要的噪声源位置。基于噪声产生机理,确定了分别从降低上游涡强度和降低下游转子压力脉动两个角度出发来降低干涉噪声的方法。(3)基于数值模拟研究了沟槽结构和仿生波状前缘结构的降噪效果以及降噪物理机制。以圆柱-翼型干涉噪声模型为研究对象,在Ma=0.18,α=0°的条件下,上游沟槽结构不仅可以降低特征频率下峰值噪声17.7d B,还可以降低中频段(700Hz-2500Hz)干涉噪声5.2d B;下游波状前缘结构仅可以降低中频段(700~5000Hz)干涉噪声5.7d B,总声压级降低2.1d B;两种结构的组合可以降低峰值噪声16.9d B,中频段平均降噪6.8d B。沟槽结构抑制了圆柱尾迹产生的涡脱落并将其切碎成更细碎的涡流,使得到达翼型前缘的涡结构变得更小,更分散,有效降低了翼型前缘的涡强度;波状前缘结构不改变涡结构,仅降低了翼型前缘25%弦长距离的压力脉动大小,同时使高压力脉动集中分布在波谷区域,显著减弱了波峰区域的压力脉动大小。(4)将仿生结构应用于散热风扇上,并基于仿生流动控制原理设计了扰流结构和内锯齿结构,通过试验测量与数值模拟研究了仿生散热风扇的气动和声学性能。结果表明:模型3和模型7的降噪效果最好,峰值噪声分别降低了2.7d B、1.8 d B,总声压级分别降低了3.4d B、1.8d B,且模型3可以将原型风扇最大静压值提高4.9%。对模型3和模型7进行降噪机理分析发现,两种模型均明显降低了叶片吸力面前缘的低压区域面积,减弱了叶片前缘的压力变化程度,有效降低了前缘的压力脉动大小。
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