可变形状的空腔噪声主动控制中驻波产生机理及关键技术研究

Cavity flow problems exist in landing gear bays of airplanes and weapon bays of fighters. When the doors of bays are opened in air, based on the coupling effect of high-speed flow and the structure of cavity, cavity noise is generated inside or surrounding the cavities. Standing waves of the cavity noise is the major contribution for destructing the cavities and equipment, so many control methods are designed to reduce standing waves. In the project, an active control method with variable geometry for cavity noise is proposed. In this method, the angles of the bottom, the front and back walls are adjusted using a mechanism. Under different flow velocities, the standing waves are reduced with different angles. The active control method can solve main problems of existed control methods, such as breaking the streamlines of aircraft, failure at off-design velocities or supersonic velocities, complex actuators. In the project, we will concentrate on standing waves generation mechanism, the numerical method for standing waves, the relationship between standing waves and geometry parameters, sensitivity analysis for standing waves and the optimization algorithm for cavity geometries. The study aim is to build a prototype system of active control method with variable geometry. The study can provide theoretical support and technical base for achieving engineering applications. The research findings can also provide the theory and technical support for the study on standing waves in non-regular cavities.

空腔流动问题广泛存在于飞机起落架舱和战机内埋弹舱中。当舱门在空中打开时，在高速气流与空腔结构耦合作用下，在空腔内部及周边产生空腔噪声。空腔噪声中驻波会导致空腔结构声疲劳破坏及内部装置失效，现有控制方法主要针对驻波噪声。本项目提出研究可变形状的空腔噪声主动控制方法，即：使用安装于空腔内的机械装置调节空腔底面及前、后壁面倾斜角度。实现随着流速变化，改变空腔形状，降低驻波噪声的目的。该方法能够解决现有控制方法会破坏飞机的流线型、不能在流速变化及超声速下工作、需安装复杂激励器等问题。集中研究可变形状空腔内：驻波噪声产生机理、驻波噪声数值计算方法、驻波噪声与形状参数之间关系、驻波噪声灵敏度分析、空腔形状优化算法等理论及关键技术问题。研究目标是：建立一套可变形状空腔噪声主动控制方法的原型系统。为最终成功实现工程应用提供理论支撑和技术依据。本项目研究工作还能为不规则形状空腔中驻波研究奠定理论和技术基础。

空腔流动问题广泛存在于航空飞行器中，如飞行器表面的缝隙、飞机的起落架舱、新一代战机的内埋弹舱等。当高速气流流过空腔时，产生的腔内噪声的总声压级高达170 dB以上，容易使结构发生共振导致结构出现声疲劳破坏。因此，对空腔噪声的产生机理及控制研究具有重要意义。本项目提出了一种新型空腔噪声控制方法—可变形状的空腔噪声主动控制方法。首先，项目组以M219基准空腔为实验模型，设计并加工了可变形状空腔的机械装置，进行了实验研究。通过镜像声源法提出了亚跨、超声速下可变形状空腔噪声的模态频率预估模型。其次，研究了采用雷诺时均模拟方法、分离涡模拟方法、大涡模拟方法及各种不同的湍流模型的空腔气动噪声计算结果，建立了空腔驻波噪声的数值计算方法。然后，通过大涡模拟方法对后壁倾斜及前后壁同时倾斜的可变形状空腔进行数值仿真，分析了空腔驻波噪声及流场变化。接下来，选择DACE工具箱和MSE加点准则动态建立了前后壁倾斜角度和主模态峰值的Kriging代理模型，并用粒子群算法优化了相关参数。最后，对可变形空腔进行Sobol’全局灵敏度分析，研究了空腔噪声对形状参数的灵敏度，确定了最佳的空腔形状。除了计划内的研究工作，项目组还对项目提出的可变形状空腔装置进行了扩展。研究了如将曲柄滑块机构安装在前缘处，前缘高频壁面振动、添加多孔材料、设置子空腔等其他空腔噪声控制方法。此外，项目组还采用直接数值模拟方法研究了低雷诺数、小尺寸的可变形状空腔噪声，通过本征正交分解法（POD）和动力学模态分解法（DMD）对其流动结构进行了研究。最后，项目组结合镜像声源法与转换矩阵法建立了空腔声模态求解算法，并研究了基于可变形空腔的起落架舱体噪声抑制方法。本项目的研究成果为最终成功实现可变形状空腔噪声主动控制的工程应用提供了理论支撑和技术依据，还能为其他不规则形状空腔噪声的研究奠定良好的理论和技术基础。