[发明专利]基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法

说明书

本发明涉及一种基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，包括：利用涡扇发动机喷流结构特点，对通用噪声模型进行简化，构建涡扇发动机喷流噪声的代理模型结构；构建涡扇发动机喷流流场有限元模型，模拟正交试验并获取噪声样本；利用噪声样本数据对代理模型进行求解；利用大气条件、飞行速度和喷管几何尺寸修正噪声模型，最终得到具备一定精度的喷流噪声实时模型。本发明解决了航空发动机喷流噪声数值计算过程中，传统的计算流体动力学方法计算量庞大、无法覆盖整个飞行过程中的噪声状况和达不到实时仿真需求等问题，为涡扇发动机主动噪声控制提供依据。

技术领域

本发明是一种基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，属于航空发动机建模与仿真技术领域。

背景技术

飞机的噪声辐射是民机适航取证的强制性标准，各国对于噪声进行限制的机场数目也在逐年上升，因此飞机的噪声设计技术已经成为大型运输机的主要竞争筹码之一，影响其海内外市场的运营。民用运输机广泛采用的大涵道比涡轮风扇发动机的噪声辐射是飞机噪声的主要原因。涡扇发动机的噪声可以分为喷流噪声、风扇噪声、燃烧室噪声和涡轮噪声，其中喷流噪声可以近似看成与喷流速度的高阶次方成正比，随着喷流速度的增加喷流噪声会急剧增大，是发动机最主要的噪声源。

仿真技术是支撑航空发动机自主研发的重要手段，可以大幅提高航空发动机的研发效率和质量，缩短研制周期，降低研制成本。目前国内外已知的发动机整机模型很多，大多利用发动机的部件特性，建立发动机的非线性部件级模型，使用Newton-Raphson等方法求解非线性方程组，或利用容积动力学方法取代经典迭代算法，实现发动机的实时模型仿真。但在进行发动机的噪声设计时，往往是直接按照随时间变化的非定常过程计算，如使用各种CFD软件，该方法计算量庞大，往往只能计算多个样本点，无法覆盖整个飞行过程中的噪声状况，远远达不到实时仿真的需求，发动机噪声仿真的效率问题是目前提高发动机的噪声设计效率、噪声适航评估系统开发、噪声主动控制和多学科设计优化等技术的主要瓶颈。基于上述问题，国内尚未见有公布带喷流噪声预测功能的涡扇发动机实时模型。

发明内容

本发明提出的是一种基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，其目的在于针对发动机噪声设计过程中，传统方法计算量庞大、无法覆盖整个飞行过程中的噪声状况、达不到实时仿真需求等问题，通过利用涡扇发动机喷流的特征，对通用喷流噪声计算方法进行简化和改进，提出了一种满足实时仿真要求的涡扇发动机喷流噪声模型，可以对喷流噪声大小进行实时仿真计算以及配合发动机的性能参数对噪声进行预测。

本发明的技术解决方案：基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，包括以下步骤：

（1）构建涡扇发动机喷流噪声代理模型：通过对发动机喷流噪声的特性分析，根据噪声源类型的不同，将分开排气的涡扇发动机喷流流场分为四个部分进行分析和计算，分别为喷流核心区、充分掺混区、外环剪切层和内环剪切层，针对不同的区域，对噪声求解方程进行简化；通过噪声求解方程分别计算外环剪切掺混噪声、内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，再通过各个部分的噪声叠加，得出噪声源总声压级；

（2）建立喷流有限元模型获取噪声样本数据：建立涡扇发动机喷流流场的有限元模型，利用通用计算流软件计算其喷流噪声辐射，流场区域选择以喷管中心为圆点，100倍喷管直径大小为半径的球体，关注喷流噪声的远场噪声辐射大小，采用正交实验法，计算不同喷流流速下，步骤（1）中各个流场区域不同指向角的采样点的噪声大小，作为噪声样本用于对噪声模型的求解；

（3）利用噪声样本数据求解代理模型：利用步骤（2）中得到的各个区域的噪声样本，对步骤（1）中得到的喷流噪声代理模型的相关系数进行求解，待求解的参数包括各个区域噪声模型的密度项系数、速度项系数和常数项，辨识方法采用麦夸特法；

（4）利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型。

所述步骤（1）构建涡扇发动机喷流噪声代理模型，包括以下具体步骤：