叶栅的气动/声学反问题联合设计方法研究

气动设计反问题方法研究为提高叶轮机械设计水平、改善其气动性能起到了极其重要的作用。然而，关于叶轮机械声学设计反问题的研究十分薄弱。气动声学反问题方法利用离散的、有限个远场观测点声压反演声源的压强分布，为气动噪声的主动控制获取初始声源特性，也是旋转流场压强的非接触式测量的理论基础。本申请项目将气动声学反问题方法与叶栅的气动设计方法结合，以气动载荷与载荷脉动诱导的远场声辐射为共同设计参数，探索叶栅的气动/声学反问题联合设计方法。其中，运动叶栅非定常流场及其远场声辐射的高精度算法、基于FH-W方程的气动声学反问题模型、远场观测点目标声压分布与叶栅几何参数修正值之间的反馈机制是本项目的研究重点。本项目的成功实施不仅给出叶栅气动与声学反问题设计的新方法，同时对推动叶轮机械气动噪声源识别、运动叶片表面非定常压强测量技术具有重要理论意义。

叶片是旋转叶轮机械的重要功能转换元件，其设计不仅对叶轮机械的功能转换能力和效率有着重要影响，同时对机械内的流动致声存在显著影响。叶片气动设计反问题方法研究为提高叶轮机械设计水平、改善其气动性能起到了极其重要的作用。然而，关于叶轮机械声学设计反问题的研究十分薄弱。本项目将气动声学反问题方法与叶栅的气动设计方法结合，以气动载荷与载荷脉动诱导的远场声辐射为共同设计参数，探索叶栅的气动/声学反问题联合设计方法。本项目从适于气动声场直接模拟的间断有限元方法、叶栅气动声源与气动载荷的关联特征、叶栅气动噪声的辐射特征、翼型气动/声学多目标设计、翼型气动/声学反问题联合提法五个方面开展研究。主要研究内容及结果有：. (1) 基于间断有限元方法开展了非定常流场与流动噪声直接模拟的研究。本研究运用本征值方法分析了高阶Nodal-DG方法的色散、耗散特性。研究表明在较少的网格数下，Nodal－DG方法的计算精度可以与紧致格式相比，并优于DRP格式，是一种非常适于气动声学数值模拟的高精度格式。最后，将间断有限元方法应用于二维非定常Euler方程的求解，发展了相应的正问题计算程序。. (2) 利用声学混合模拟方法对平面叶栅的流动噪声的影响因素进行了研究与分析，获得了来流条件（来流攻角与雷诺数）、叶栅参数（稠度与安装角）和叶型参数（叶型弯度）对叶栅流动噪声的影响规律。并利用FH-W积分方法对叶栅流动噪声源的特征进行研究，分析运动流场中叶片气动载荷以及载荷脉动对远场噪声辐射的贡献，为翼型/叶栅声学反问题确定目标声压分布提供依据。. (3) 基于非定常Euler方程的高精度数值方法完成了非定常气动反问题计算程序，采用可穿透壁面概念建立了几何修正与目标载荷的关联，并通过定常与非定常气动设计案例对程序进行了验证与考核。. (4) 将流场、声场的正问题求解与均匀设计优选法相耦合，形成了翼型的气动/声学多目标设计方法，并以NACA0012翼型为初始翼型进行气动/声学优化设计，设计的新翼型满足设计气动性能与声学性能要求，获得了比原始翼型更好的气动性能和声学性能。. (5) 基于FW-H积分建立了叶栅频域内的声学反问题数学模型。