Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2016

УДК 533.6.07:519.6-37

АЗИМУТАЛЬНАЯ ДЕКОМПОЗИЦИЯ ШУМА ОБТЕКАНИЯ ЦИЛИНДРА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Е.В. Сорокин, Е.С. Черенкова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

evgensorokin92@gmail.com

Проведено численное моделирование обтекания тонкого цилиндра потоком воздуха. На разном расстоянии относительно цилиндра записана информация о нестационарном давлении. Полученные результаты обработаны по методу азимутальной декомпозиции шума. Установлено хорошее качественное совпадение направленности трех первых мод с известными в литературе экспериментальными данными.

Ключевые слова: аэроакустика, численное моделирование, шум обтекания, азимутальная декомпозиция звукового поля.

Шум самолета на местности является одним из ключевых вопросов в оценке его конкурентоспособности. На сегодняшний день шум элементов планера (шасси, закрылки, предкрылки и др.) на режиме посадки является сопоставимым по уровню с шумом энергоустановки. Для его снижения нужно разрабатывать новые конструкции аэродинамических поверхностей без потери аэродинамического качества. Одним из подходов для решения данной задачи может являться численное моделирование с применением современных методов модального анализа генерируемого звукового поля.

В работе рассмотрена возможность использования подобного подхода на примере простой модели – тонкого цилиндра, обтекаемого потоком воздуха. Расчеты проводились в программном газодинамическом комплексе ANSYS CFX. На первом этапе осуществлялся газодинамический расчет, настройки для которого (модели турбулентности, пристеночный слой и т.д.) предварительно отрабатывались при решении задачи [1]. В процессе расчета информация о нестационарных характеристиках потока сохранялась на так называемых контрольных поверхностях. На втором этапе на основе этой информации с помощью интеграль-

41

ных формул производился расчет распространения звука до точек, имитирующих положения микрофонов (рисунок).

Рис. Схема расположения сечений для записи сигнала

Записанные в указанных точках данные обрабатывались по специальной процедуре – методу азимутальной декомпозиции, позволяющему разложить измеренный шум на азимутальные компоненты в отличие от общепринятых подходов, в которых шум измеряется как почти изотропный. Основными этапами метода являются:

1. Определениематрицырасположенияточекзаписисигнала:

где θ – угол расположения точки записи сигнала.

2. Нахождение коэффициентов мультипольного разложения сигнала:

Список литературы

1.Сорокин Е.В. Численное моделирование обтекания тандема цилиндров // Аэрокосмическая техника, высокие технологии

иинновации. – 2015. – Т. 1. – С. 148–152.

2.Черенкова Е.С. Разработка программного обеспечения для расчета модального состава шума турбулентной струи // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. – 2015. – Т. 1. – С. 203–207.

3.Kopiev V.F., Zaitsev M.Yu., Karavosov R.K. Experimental investigation of azimuthal structure of dipole noise for rigid cylinder inserted in turbulent jet [Электронный ресурс] // 10th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper 2004–2927. – URL: http://www.gbv.de/dms/tib-ub-hannover/396472265.pdf (дата обращения: 18.08.2016).

4.Определение зоны свободного звукового поля заглушенной камеры ПНИПУ / В.В. Пальчиковский, Ю.В. Берсенев, С.Ю. Макашов, И.В. Беляев, И.А. Корин, Е.В. Сорокин, И.В. Храмцов // Аэрокосмическая техника, высокие технологии

иинновации. – 2015. – Т. 1. – С. 398–401.

5.Экспериментальное исследование шума турбулентных вихревых колец в заглушенной камере / В.Ф. Копьев, М.Ю. Зайцев, В.В. Пальчиковский, И.В. Храмцов, Ю.В. Берсенев // Вестник Пермского национального исследовательского политехниче-

ского университета. Аэрокосмическая техника. – 2016. –

№2 (45). – С. 133–51.

6.Экспериментальное исследование шума турбулентных

вихревых колец в заглушенной камере / Ю.В. Берсенев, Т.А. Вискова, И.В. Беляев, В.В. Пальчиковский, Р.В. Бурдаков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2016. – № 2 (45). – С. 114–132.

7. Храмцов И.В., Пальчиковский В.В., Шаврина Е.В. Выбор размещения системы отвода воздушной сруи в заглушенной камере // Научно-технический вестник Поволжья. – 2015. – № 4. –

С. 142–144.

44

УДК 534.64:534.833.532

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИМПЕДАНСА КРУПНОГАБАРИТНОЙ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ

И.А. Корин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

korinvanj@mail.ru

На основе численного решения методом конечных элементов уравнений, описывающих распространение волн в канале с импедансной стенкой, и минимизации расхождения между акустическими давлениями, найденными в прямой и обратной задаче, проведен поиск импеданса крупногабаритной звукопоглощающей конструкции. Рассмотрены разные варианты возможной установки массивов микрофонов при проведении реальных испытаний. Установлено хорошее соответствие между искомым и найденным импедансом.

Ключевые слова: авиационный двигатель, звукопоглощающая конструкция, акустический импеданс, модальный состав звукового поля, метод конченых элементов.

На режиме взлета и посадки значительный вклад в общий уровень шума самолета вносит вентилятор авиационного двигателя (АД). Наиболее распространенным способом подавления данного шума является установка в каналах АД звукопоглощающих конструкций (ЗПК), импеданс которых настраивается на определенный модальный состав шума вентилятора.

С целью выбора эффективного варианта ЗПК, например, проектирования новой геометрии резонатора, может использоваться численное моделирование [1, 2]. Однако подтверждение эффективности работы спроектированной ЗПК требует проведения экспериментальных исследований, которые обычно реализуются на установках «Интерферометр с нормальным падением волн» [3] и «Канал с потоком» [4]. Особенностью данных установок является узкий канал с целью обеспечения поршневой волны в жесткостенных секциях установок. Это обусловливает использование образцов малых габаритов. При дальнейшем изготовлении крупногаба-

45

ритной ЗПК эффективность ее шумоглушения часто оказывается заметно хуже ожидаемых значений. При этом отсутствуют установки для проверки соответствия импеданса крупногабаритной ЗПК заложенным при проектировании значениям.

Врезультате возникает необходимость создания установок для испытания крупногабаритных ЗПК. При этом с помощью генератора звука в такой установке можно задавать определенный модальный состав, как это было реализовано в работах [5, 6]. Также необходимо отметить, что отсутствуют исследования по вопросу использования того или иного метода извлечения импеданса применительно к крупногабаритным ЗПК.

Вработе рассматривается возможность использования методики определения импеданса, основанной на численном решении уравнений, описывающих распространение волн в канале

симпедансной стенкой, и минимизации функционала, который

стенке канала [7]. В качестве проектных параметров данной задачи оптимизации выступают действительная и мнимая часть импеданса стенки канала. Импеданс стенки, соответствующий минимальному расхождению расчетных и экспериментальных значений акустических давлений, принимается за искомый импеданс образца ЗПК. Сильной стороной данного подхода является возможность решения задачи для любой геометрии канала и независимость от модального состава шума в канале.

Исследования проводились на основе численного моделирования акустических процессов в цилиндрическом канале с жесткими стенками диаметром 1 м, длиной 1,2 м, с центральной частью длиной 0,4 м, которая имитировала ЗПК посредством импедансных граничных условий, заданных на ее стенках. Перед ЗПК и после него на стенке канала был создан массив из девяти точек, расположенных в линию, имитирующих «микрофоны». На выходе из канала был сделан так называемый «идеально согласованный слой» с целью реализации неотражающего граничного условия.

Первоначально решалась прямая задача, в которой на стенках жесткостенных частей канала вдоль одной линии определялось акустическое давление для заданного импеданса ЗПК и модального состава. Далее решалась обратная задача, в результате

46

которой находился импеданс ЗПК. В качестве процедуры оптимизации использовался метод покоординатного спуска. Область поиска импеданса составляла: для действительной части – от 0 до 10, для мнимой – от –10 до 10. Во всех расчетах в качестве начальной точки поиска импеданса использовалась середина указанных диапазонов. В результате проведенных исследований было установлено, что найденные в обратной задаче значения импедансов очень хорошо согласуются с искомыми.

Учитывая наличие азимутального изменения акустического давления по каналу, аналогичные расчеты были проведены для линий съема данных под углами 30, 60 и 90 градусов. Во всех случаях функционалы, характеризующие расхождения давлений в прямой и обратной задачах, оставались весьма малыми. Полученные результаты свидетельствуют об инвариантности расположения линии съема данных, что также положительно характеризует рассмотренный метод.

Таким образом, можно заключить, что предложенный подход может быть рекомендован для извлечения импеданса крупногабаритных ЗПК.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта правительства РФ по постановлению № 220 «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования» по договору № 14.Z50.31.0032.

Список литературы

1.Федотов Е.С., Пальчиковский В.В. Исследование работы резонатора Гельмгольца в волноводе прямоугольного сечения // Математическое моделирование в естественных науках. – 2014. –

Т. 1. – С. 268–271.

2.Федотов Е.С., Пальчиковский В.В. Исследование работы резонатора Гельмгольца в волноводе прямоугольного сечения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. –

№38. – С. 107–126.

3.Кустов О.Ю., Пальчиковский В.В. Интерферометр для высоких уровней акустического давления // Аэрокосмическая

47

техника, высокие технологии и инновации. – 2015. – Т. 1. –

С. 157–160.

4. Сравнение импеданса ЗПК, полученного по результатам измерений на двух различных установках с использованием малого числа микрофонов / А.Ф. Соболев, Н.Н. Остриков, А.Н. Аношкин, В.В. Пальчиковский, Р.В. Бурдаков, М.С. Ипатов, М.Н. Остроумов, М.А. Яковец // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2016. – № 45. – С. 89–113.

5. Применение метода плоского бимформинга к идентификации вращающихся звуковых мод / Ю.В. Берсенев, Т.А. Вискова, И.В. Беляев, В.В. Пальчиковский, О.Ю. Кустов, В.В. Ершов, Р.В. Бурдаков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2016. – № 1. – С. 26–38.

6. Идентификация вращающихся звуковых мод в канале воздухозаборника авиационного двигателя с помощью кольцевой решетки микрофонов / Ю.В. Берсенев, Т.А. Вискова, И.В. Беляев, В.В. Пальчиковский, Р.В. Бурдаков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2016. – № 45. – C. 114–132.

7. Bulbovich R.V., Pavlogradskiy V.V., Palchikovskiy V.V. The procedure of liner impedance eduction by finite element method [Электронный ресурс] //29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS 2014. – 1 электрон.-опт. ком-

пакт-диск.

48

УДК 534.62

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ИЗМЕРЯЕМОГО ШУМА ТУРБУЛЕНТНОЙ ВОЗДУШНОЙ СТРУИ В ЗАГЛУШЕННОЙ КАМЕРЕ ПНИПУ

В.В. Пальчиковский, И.В. Храмцов, О.Ю. Кустов, И.А. Корин, Е.В. Сорокин, Е.С. Черенкова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

vvpal@bk.ru

В ПНИПУ создана заглушенная камера со струйной установкой для проведения аэроакустических исследований на маломасштабных моделях. Выполнены измерения шума турбулентной струи в заглушенной камере. Полученные результаты соответствуют спектрам, характерным для турбулентных струй, однако в некоторых полосах частот наблюдается завышенный уровень шума. Для его снижения предложены варианты модификации конструкции струйной установки.

Ключевые слова: аэроакустика, заглушенная камера, воздушная турбулентная струя, глушители шума, измерения в дальнем поле в лабораторных условиях.

Исследование проблем, связанных с причинами возникновения уровней шума, не удовлетворяющих экологическим нормам, для гражданских самолетов невозможно без натурных экспериментов, к которым в первую очередь можно отнести стендовые и полетные испытания. Однако натурные испытания требуют больших затрат человеческих, временных и финансовых ресурсов и по этим причинам проводятся в малых количествах. Кроме того, аэроакустические исследования на натурных объектах во многом ограничиваются погодными условиями, и возможность проведения испытаний в лабораторных условиях ускоряет решение поставленных задач. При этом наличие в лаборатории заглушенной камеры существенно расширяет спектр возможностей по исследованию задач аэроакустики.

В 2014–2015 гг. в ПНИПУ создана заглушенная камера для проведения аэроакустических исследований [1]. Проведенные метрологические испытания заглушенной камеры демонстрируют, что

49

в ней можно проводить количественные аэроакустические эксперименты [2, 3]. Для реализации данных исследований камера снабжена системой подачи воздуха, позволяющей создавать турбулентные струи со скоростью до 200 м/с при диаметре сопла 6 см,

атакже генератором для создания вихревых колец [4, 5].

Вкачестве источника сжатого воздуха струйной установки ПНИПУ выбраны вентиляторы. Каждый вентилятор управляется

скомпьютера через преобразователь частоты, что позволяет плавно изменять скорость струи. Данное решение, в отличие от классического варианта – компрессора, позволяет непрерывно обеспечивать подачу воздуха в течение длительного времени (несколько часов) в режиме максимального расхода, при этом время подготовки к испытаниям минимально (1–2 мин). С другой стороны, имеются и недостатки, главный из которых – необходимость обеспечивать защиту от проникновения в заглушенную камеру шума вентиляторов, который загрязняет шум турбулентной струи. Для этого в сети воздуховодов были предусмотрены глушители (рис. 1).

Рис. 1. Схема системы подачи–отвода струи:

1 – вход через коллектор; 2 – глушитель; 3 – воздуховод; 4 – кольцевой глушитель; 5 – гибкая вставка; 6 – глушитель; 7 – кольцевой глушитель; 8 – фланец; 9 – сопло

Еще одним отличием созданной струйной установки от классических решений является расположение выхлопного коллектора в потолке заглушенной камеры (1 на рис. 1), что обусловлено особенностями существующих строительных конструкций [6]. Все данные особенности могут некоторым образом отражаться на качестве получаемых акустических характеристик.

Выполненные измерения шума турбулентной струи в заглушенной камере показали, что в целом получаемые результаты соответствуют спектрам, характерным для турбулентных струй

50