声衬流动阻力产生机理与吸声性能基础研究

Acoustic liner is one of the most important noise control techniques in aero-engine. So far, most of research on liner has been focused on the improvement of acoustic absorption performance. However its negative impact to aerodynamic performance is usually neglected. More fundamental research on liner drag generation mechanism is totally missing. It is highly desirable to invoke a breakthrough on low drag liner design technique which could yield wider application in future aero-engine and airframe low noise design. To overcome the difficulty, this project would study the drag generation mechanism and acoustic performance of acoustic liners with different configurations in the presence of grazing mean flow and high incident sound intensities by numerical simulation and experimental measurement. Advance Large Eddy Simulation (LES) technique is to be employed for numerical simulation in the conjunction with a highly accurate Computational Aero-Acoustics (CAA) approach. It is expected to describe the multi-scale flow physics of acoustic liners efficiently yet accurately through the utilization of low-dispersion and low-dissipation spatial discretization scheme, non-uniform step time marching scheme and non-reflecting boundary condition. Meanwhile, a corresponding experimental study is to be carried out for the measurement of drag and acoustic absorption performance from acoustic liners. Through insightful analysis of investigation results from highly accurate numerical simulation and experiments, the underlying mechanism of drag generation and acoustic absorption of liners is anticipated to be uncovered and illustrated. This will lay a theoretical foundation for the establishment of drag prediction model and low drag design methodology of acoustic liners.

声衬是现代航空发动机噪声控制最重要的手段之一，长期以来围绕声衬的研究几乎完全集中于提升其吸声性能，而忽视其对气动性能的负面影响，有关声衬阻力产生机理方面的研究更是一片空白。然而，声衬能否在未来飞机发动机与机体上获得更广泛的应用，很大程度上取决于低阻力声衬设计原理的突破。为此，本项目拟采用数值与实验相结合的方法，深入研究不同切向流与高声强条件下多种结构形式穿孔板声衬阻力产生机理与吸声性能。数值研究将基于大涡模拟策略和高精度计算气动声学方法，采用低频散与低耗散的高阶空间离散格式、多时间步推进格式和无反射边界条件，以高效精确刻画声衬多尺度流动机理；同时开展相应的实验研究，准确测量声衬流动阻力和吸声性能。通过详细分析高精度数值模拟与实验结果，深入揭示并诠释声衬阻力产生机理与吸声机理，从而为声衬阻力预测模型的建立和低阻力高性能声衬的设计提供理论依据。

低噪声低阻力始终是商用飞机和发动机设计所追求的目标。短舱声衬是最有效的抑制航空发动机辐射噪声的被动降噪方法之一。由于声衬表面为可穿透的穿孔板或金属丝网，通常会引起流动阻力的增加。然而，长期以来由于声衬在噪声控制方面的不可替代性，其引起的额外阻力只能被动接受。近些年，为了进一步降低发动机耗油率和排放，有关声衬气动性能的研究成为热点。由于声衬结构的复杂性，目前大部分研究集中于发展准确的声衬阻力测量方法，并通过实验测量获得声衬流动阻力的变化规律。但是目前的实验结果只能给定声衬表面的平均阻力系数，声衬阻力的产生机理，尤其是在高声强入射条件下声场和流场的非线性干涉导致的阻力增加仍有待进一步研究。本项目采用数值与实验相结合的方法，深入研究不同切向流与高声强条件下多种结构形式穿孔板声衬阻力产生机理与吸声性能。针对声衬流动阻力问题，同时开展了高精度数值模拟研究和实验研究。得到了不同切向流速度和不同声压级入射声波下声衬阻力各个组成部分的变化规律，根据详细的流场和声场数据分析了声衬流动阻力的产生机理。实验研究方面，设计了基于阻力天平的声衬阻力直接测量方法，建立了国内唯一的声衬流动阻力测试平台，达到了世界先进水平。研究表明，声衬的流动阻力与表面流速，入射声波强度和频率相关。管道内流速越大，入射声波强度越高，频率越接近共振频率，声衬产生的额外流动阻力越大。尤其在高声压级入射条件下，由于声场流场的非线性干涉形成的涡系结构及气动力会引起声衬流动阻力的显著增加，在低马赫数下甚至可提高90%。声衬吸声特性研究方面，采用高精度直接数值模拟方法计算了由多个相同结构狭缝共振腔构成的声衬的声学响应，探究声阻抗因声压级降低而在空间上产生的变化，根据声阻抗的定义计算了每个共振腔的当地声阻抗，确定了声阻抗的空间变化特征，据此建立了半经验模型。另外，本课题还探究了实际声衬的排水孔对声衬吸声性能的影响及机理，并与实验结果进行对比分析。