旋转叶片矢量气动声学方法的研究及应用

The vector acoustics method has the advantages on both the visualization of the propagation direction of the acoustic energy and the identification of the noise sources. The present project studies numerically and experimentally the acoustic velocity and acoustic intensity vector field around the rotating blades with the above method.The planned research contents are as follows: three different types of the acoustic velocity and the acoustic intensity vector formlations for the rotating sources in uiform inflow are developed, respectively, by employing the time-domain and frequency-domain numerical methods and the spherical harmonic series expansion method; the observers field rotating with the blades is introduced, where the fast multipole expansion method and retractable series expansion method are utilized to accelerate the computation of the multi-frequency noise radiation for the multi-observer; a frequency-wave number model combined with the strip theory is used to describe the pressure fluctuation on the rotating blades. The numerical computation, experimental measurement and analytical research are conducted to validate the aforementioned methods. Based on the above work, a novel method is proposed for identifying the noise source of the rotating blades, which takes into account the effects of not only the magnitude and direction of the pressure fluctuation but also the inflow Mach number and rotation Mach number of the blades on the acoustic power.The final aims of the project are to develop the vector aeroacoustics method and the source identification method for the rotating blades.

矢量声学方法在直观显示声能量传播途径和声源识别方面具有独特的优势，本项目基于该方法开展旋转叶片辐射声振速和声强矢量场的数值预测与验证研究。主要研究内容包括：分别采用时域数值方法、频域数值方法和球谐级数展开方法建立均匀来流条件下旋转叶片辐射噪声的声振速和声强矢量的计算公式及其数值解法；建立相对于旋转叶片静止的伴随旋转场，在该场内采用快速多极展开方法和收缩变换级数展开方法提升旋转叶片向多观察点辐射多频噪声的计算速度；采用频率-波数谱模型和片条理论描述旋转叶片壁面压力脉动在时间和空间上的分布特征。通过数值计算、实验测量以及解析解来验证上述声强矢量场的预测方法。基于上述研究，提出一种基于声能量评价的旋转叶片声源识别方法，这种方法综合考虑叶片压力脉动幅度和方向，叶片旋转马赫数和来流马赫数等多重因素对叶片单元辐射声功率的影响。预期研究成果建立旋转叶片矢量气动声学的分析方法和声源识别方法。

噪声问题是众多应用领域中的流体机械需要迫切解决的问题之一。本项目提出采用矢量方法研究气动噪声的产生和传播机理，相对于传统的标量声学方法，矢量声学方法在直观显示声能量传播途径和声源识别方面具有独特的优势。.本项目围绕如下四个方面的研究内容开展了系统的研究工作：旋转叶片辐射噪声的声振速和声强矢量的预测方法；基于可视化方法开展旋转叶片声能量传递(正向)和声源识别(逆向)的分析；叶片壁面压力脉动的数值模拟及频率-波数谱模型；旋转叶片周围声学矢量场的加速预测方法。.主要研究成果包括：(1) 系统的建立了静止介质和运动介质中的气动声学矢量波动方程及其积分解；(2) 开展旋转声源周围声学矢量场(声粒子速度和声强)的预测，揭示了旋转叶片辐射噪声能量的三种模式：螺旋模式、声学黑洞模式以及R-A模式；(3) 综合矢量气动声学和等效源方法，发展了旋转叶片辐射和阻抗边界散射噪声的频域预测方法，能够直观形象揭示边界对声能量的散射和吸收；(4) 基于矢量气动声学方法，推导了旋转点/紧凑声源辐射声功率谱的解析表达式，可以直接应用于分析旋转声源的声能量在空间和频率上的分布特征；(5) 综合频域数值方法和球谐级数展开方法，建立旋转叶片及轴对称散射边界条件下的声场的加速预测方法；(6) 针对低压轴流叶片和高压离心叶轮叶片开展了高精度的数值模拟研究，探讨壁面压力脉动的频率-波数谱模型；(7) 基于矢量气动声学方法，尝试在离心和轴流式流体机械上开展降噪技术研究，初步的实验和数值研究均证实取得了良好的降噪效果。.基于本项目的资助，申请人以第一/通讯作者身份在国际著名SCI期刊上发表论文19篇，在第24届国际应用和理论力学大会Acoustic Session进行矢量气动声学方面的邀请报告一次。