环保网 环保技术 低碳网 乐活生活 环保宣教 环境科学 环保图库 环境百科 资料下载
您的位置:环保主页 > 环保技术 > 降噪减震 > 飞机机体噪声的预估方法

飞机机体噪声的预估方法

来源:环保网

机体噪声预测是目前气动声学研究的主要领域之一。21世纪以来,由于研究手段的多元化(理论、实验和数值模拟),使得机体噪声预测方法的研究进入了一个全新的发展阶段,并有望在近年内取得较大的突破。根据气动声学领域著名科学家法拉赛特(Farassat)的论述,一个好的噪声预估方法应具有如下的四方面特征:ⅰ) 适用于不同发声机理的机体噪声预测,即能适用于任意飞机外形,特别是襟翼、缝翼和其它控制面的外形;ⅱ) 适用于任意飞行状态,尤其是起飞和着陆过程中不同的速度、下滑角等;ⅲ)适用于任意的观测位置,既能进行近场噪声预测,又能进行远场噪
声预测;ⅳ)快速给出计算结果,单次计算时间在24小时的量级。Farassat认为,目前尚没有同时满足以上四方面特征的机体噪声预测方法。 
当前机体噪声的预测方法可归纳为如下四种:(1)纯理论方法;(2)CFD同 “声比拟”相结合的方法;(3)半经验方法(4);纯数值方法。下面对这四种方法分别进行简要介绍。 
 
1、   纯理论方法 
纯理论方法是指采用流体力学理论和声学理论进行分析和建模的方法,该方法一般适用于针对简化模型的基础研究。Crighton、Ffcows Williams 和 Hall、Howe、Amiet 等人的研究工作就属于纯理论方法的研究。这一类方法对于飞机设计者是非常重要的,因为该方法能帮助设计者获得一些重要的定性认识,例如速度等参数对噪声声强的影响规律、设计试验时所需的相似准则、噪声频谱特性和指向性规律、降噪的设计指导性原则等。值得一提的是,纯理论方法的研究结果也是发展其它方法的重要基础。但是,对于机体噪声预测而言,该方法存在如下的不足:由于模型过于简化使得与真实情况可能存在较大的差别,如Crighton的后缘噪声模型后来被证实与实验结果偏差较大;预测模型对几何外形、运动状态和观测点位置具有诸多限制。 
 
2、   CFD和声类比相结合的方法  
CFD 和声类比相结合的方法是迄今为止最受欢迎的机体噪声预测方法,此方法常被称为混合方法(hybrid method)。该方法的基本思想是:近场部分采用CFD技术进行数值模拟,以获得准确的声源信息数据;声波从近场到远场部分的传播采用“声类比”(Acoustic Analogy)方法进行精确的解析求解。该方法克服了半经验方法和纯理论方法对几何外形和飞行状态的限制,求解模型更接近物理实际;另一方面,该方法也克服了纯数值方法在远场噪声计算方面的不足,大大提高了远场噪声计算的效率。 
“声类比”方法是英国科学家Lighthill在1952年提出的,该方法最初被用来描述喷流噪声,后来 Curle将该方法推广到描述静止固体边界与流体相互作用的发声问题。1969 年, Ffcows Williams和Hawkings两位科学家采用广义函数理论将该方法推广到最一般形式,得到著名的Ffcows Williams-Hawkings方程(简称FW-H方程)。FW-H方程是将流体力学N-S方程按非齐次波动方程的形式重新整理而成,可用来精确描述任意运动固体边界与流体相互作用的发声问题。FW-H方程最初采用频域方法进行求解,但由于求解过程十分复杂,不利于进行数值计算等限制,从80年代开始FW-H方程的求解逐渐向时域方法方向发展。在FW-H方程时域求解方面美国科学家Farassat的贡献最大,他采用“自由空间格林函数方法”的导出了FW-H方程单极子和偶极子噪声解的积分表达式——Farassat 1A 公式。但是,研究实践表明,四极子噪声的求解却异常困难,直到现在也是没有完全解决的学术难题。1988 年,Farassat 运用“声类比”的思想推导出广义波动方程(Farassat称为Kirchhoff方程)解的积分表达式-Kirchhoff公式, 发展了著名的Kirchhoff方法。将CFD与 Kirhchoff 方法相结合,在直升机旋翼跨声速非线性噪声预测方法取得了成功应用。但是,有研究者发现,Kirchhoff 方法的控制方程是线性的波动方程,当声源控制面位于流动非线性区时会给出没有意义的结果。于是,采用FW-H方程作为控制方程成为解决该问题的必然选择。理论推导和数值计算表明,最新发展的FW-Hpds 方法,采用“可穿透数据面(penetrable data surface)”作为声源面来求解FW-H方程,为快速求解非线性噪声提供了一种新的途径。该方法通过面积分可以反映控制面内体声源对总噪声的贡献,避免了难以计算的体积分。目前为止,结合CFD和FW-H方程的噪声预测方法在旋翼气动噪声方面已经得到成功的应用。 
这个综合了 CFD 和声类比的机体噪声预估方法具备了一个好的噪声预测法几乎所有的特点(任意的飞机形状,特别是襟翼、缝翼和其它控制面;任意的起飞着陆的飞行状态,如加速、侧滑、转弯等;任意的观察位置,包括近场和远场;快速的计算)。Farassat 认为 FW-Hpds 方法是今后十年机体噪声预测最有应用前景的方法。当前,该方法发展的主要障碍是近场的湍流数值模拟。其中,小尺度湍流模拟是需要进一步研究的难题。 
 
3、   半经验方法 
半经验方法是指在大量实验的基础上结合理论分析总结出的经验性噪声预测方法。目前,由于其它噪声预测方法还没有完全发展成熟,因此半经验方法是估算机体噪声的较好选择。为得到设计急需的噪声结果以满足适航噪声要求,发展出了一些基于高效半经验方法的噪声计算程序。美国 NASA 兰利实验中心的飞机噪声预测计划(Aircraft Noise Prediction Program –ANOPP),  在很大程度上依赖于半经验方法。目前,飞机设计中为了检验是否满足适航噪声要求所采用的噪声预测程序主要采用的是半经验方法。半经验方法的优点是具有一定的理论依据,预测结果比较可靠,并且效率极高,这对于飞机工程师而言是一种非常有用的方法。 
Brooks 和 Humphreys通过试验测量所得的表面压力和Howe的理论采用半经验方法预测了襟翼侧缘的噪声 ;Guo、Yamamoto and Stoker等人在全尺寸飞机噪声实验数据的基础上发展了预测增升装置噪声的半经验方法。该方法包含有不同飞机在不同飞行状态下机体噪声数据库,数据库中的实验数据主要是通过相位麦克风阵列技术测得的。 
该方法不能处理机翼及增升装置几何外形对机体噪声的影响,且计算状态也不能偏离标准的飞行状态(如适航检测的典型状态)。由于上述限制,使得该方法不适用于非传统布局飞机以及在非标准飞行状态的噪声预测(不满足评判标准)。因此,该方法最终将会被更先进的方法取代。 
 
4、   纯数值法 
纯数值方法是将流场和声场统一起来,通过求解NS方程来模拟近场声源以及声波从近场到远场传播的一种CAA(计算气动声学)方法。纯数值方法与半经验方法和纯理论方法相比较 ,突出优点是能够适用任意的外形和任意飞行状态,但存在远场噪声计算比较困难以及计算量巨大的问题。除了需要正确描述近场声源信息外,声波传播(特别是长距离的传播)的模拟也是其中的研究重点和难点。为了提高计算效率,通常情况下传播部分的模拟可采用线化Euler方程,但为了获得有意义的结果,必须采用低耗散和低色散的格式,且远场边界也必须采用特殊方法进行处理以保证声学数据不被污染。虽然已有众多研究者针对相对简化的问题做了有益的尝试,但对于机体噪声预测而言,纯数值方法还存在一些严重问题。例如,机体噪声的频率可高达上万赫兹,要模拟如此高频率的声波从近场到远场的传播所需要的计算时间是现代计算机无法接受的。总之,纯数值方法的研究目前仍然处于初步探索阶段,至少在近期内还不可能解决机体噪声预测问题。 

相关栏目

环保技术频道精选