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1、基于伴隨方法的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)研究（申請(qǐng)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文）學(xué)校：上海交通大學(xué)院系：航空航天學(xué)院班級(jí)：A0841391學(xué)號(hào)：0084139003博士生：邱昇導(dǎo)師：劉洪（教授）專業(yè)：流體力學(xué)研究方向：計(jì)算聲學(xué)及減噪優(yōu)化設(shè)計(jì)上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院2013年12月萬方數(shù)據(jù)ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorSTUDYINGOFAEROACOUSTICOPTIMIZATIONDESIGNFORTURBOFANENGIN
2、EINLETANDBYPASSDUCTBASEDONADJOINTMETHODAuthor：ShengQiuAdvisor：Prof.HongLiuMajor：FluidMechanicsResearchField：computationalaeroacousticsandnoiseoptimizationSchoolofSchoolofAeronauticsandAstronauticsShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaDecember8,2013萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要基
3、于伴隨方法的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)研究摘要飛機(jī)噪聲問題對(duì)持續(xù)增長(zhǎng)的航空運(yùn)輸業(yè)提出一個(gè)重要的問題。其噪聲級(jí)的大小直接關(guān)系到飛機(jī)適航簽證的獲取。這對(duì)于我國(guó)正在研制的民用客機(jī)來說，無疑是巨大的挑戰(zhàn)。風(fēng)扇噪聲是現(xiàn)代民用飛機(jī)在起飛和降落狀態(tài)下的主要聲源。通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)涵道外形來降低風(fēng)扇噪聲是一種行之有效的方法。伴隨方法具有梯度計(jì)算幾乎與設(shè)計(jì)變量數(shù)目無關(guān)的顯著優(yōu)勢(shì),較好地克服了氣動(dòng)噪聲優(yōu)化中計(jì)算開銷大的問題,使得進(jìn)行多參數(shù)低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能,有著很大的研究?jī)r(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。然而，伴隨方法用于發(fā)動(dòng)機(jī)涵道減噪優(yōu)化還處于初步探索階段，有許多科學(xué)問題亟需解決。
4、本文首次提出并發(fā)展了基于連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，突破了一般優(yōu)化算法在多設(shè)計(jì)變量下的計(jì)算效率低的瓶頸問題。研究與發(fā)展了非定常伴隨方程的高階有限差分?jǐn)?shù)值求解方法及相應(yīng)梯度公式的數(shù)值求解方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本文發(fā)展的減噪設(shè)計(jì)理論，針對(duì)進(jìn)氣道和外涵道減噪問題，分別提出適合各自問題的減噪設(shè)計(jì)算法，開展了進(jìn)氣道和外涵道減噪問題研究，有效降低了從涵道輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)的噪聲，解決了涵道的多參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算量大的難題。從而，為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道多參數(shù)減噪設(shè)計(jì)探索出一條高效可靠的新路。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：第I頁萬方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要（1）研究了單音噪聲在渦扇
5、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道中傳播和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射過程。通過求解二維軸對(duì)稱線性歐拉方程(2.5DLEE)研究了單個(gè)傅立葉聲模態(tài)的近場(chǎng)傳播過程，然后采用FW-H積分計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)的聲壓級(jí)。發(fā)展了高精度進(jìn)氣道噪聲計(jì)算工具，通過NASAJT15D靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證其正確性，然后詳細(xì)探究了典型進(jìn)氣道噪聲傳播機(jī)理，得出了衍射和折射效應(yīng)是兩個(gè)影響聲波傳播方向的機(jī)制。而且衍射效應(yīng)是更主要的影響因素。（2）研究了單音噪聲在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道中傳播和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射過程。由于外涵道流體與外部流體之間出現(xiàn)剪切層，使得無法直接使用頻域有限元、無限元和LEE方法。本文通過求解聲擾動(dòng)方程（2.5DAPE）來模擬近場(chǎng)
6、聲傳播，解決了計(jì)算放大的問題，最后利用FW-H積分得到遠(yuǎn)場(chǎng)指向性特征。發(fā)展了高精度外涵道噪聲預(yù)測(cè)工具，其正確性通過使用TURNEX項(xiàng)目的外涵道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證。（3）首次系統(tǒng)地提出了基于連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。提出了合適的減噪設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)及約束條件，發(fā)展了目標(biāo)函數(shù)取在積分線上的減噪優(yōu)化方法。在計(jì)算坐標(biāo)系下詳細(xì)推導(dǎo)了LEE的非定常伴隨方程，伴隨邊界條件以及關(guān)鍵的梯度表達(dá)式。針對(duì)伴隨方程的數(shù)學(xué)性質(zhì),研究與發(fā)展了伴隨方程的高階有限差分?jǐn)?shù)值求解方法及相應(yīng)梯度公式的數(shù)值求解方法,較好解決了非定常伴隨方程和梯度公式的數(shù)值求解問題。利用該優(yōu)化方法，可一次性
7、求出所有設(shè)計(jì)變量的梯度值，從而大大提高了減噪設(shè)計(jì)的效率。(4)提出了基于連續(xù)伴隨理論和2.5DLEE方程的進(jìn)氣道減噪設(shè)計(jì)算法。推導(dǎo)了2.5DLEE的伴隨方程及邊界條件,并給出了最終梯度求解形式。通過利用網(wǎng)格擾動(dòng)技術(shù),避免了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中多次生成計(jì)算網(wǎng)第II頁萬方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要格的問題,獲得了度量矩陣變分來進(jìn)行梯度求解。使用Hicks-Henne函數(shù)來描述設(shè)計(jì)變量擾動(dòng)對(duì)進(jìn)氣道表面的影響。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程使用擬牛頓優(yōu)化算法,在不同背景流條件和噪聲模態(tài)下，成功地進(jìn)行了高達(dá)50個(gè)設(shè)計(jì)變量的典型進(jìn)氣道的減噪問題研究，取得顯著的減噪效果。(5)提出了基于
8、連續(xù)伴隨理論和2.5DAPE方程的外涵道減噪設(shè)計(jì)算法。導(dǎo)出了2.5
