Введение к работе
Актуальность работы. Улучшение акустических характеристик турбомашин, широко применяемых в технике, является важной задачей, поскольку международные и региональные нормы по шуму непрерывно ужесточаются. Для турбомашин наиболее существенными являются тональные составляющие в спектре шума, поэтому наиболее важным представляется разработка мероприятий, ориентированных на гашение звука на дискретном наборе частот. Одним из эффективных способов гашения тонального шума лопаточных машин на сегодняшний день является облицовка их каналов звукопоглощающими конструкциями (ЗПК). Основным преимуществом ЗПК является их относительная простота и слабое влияние на эксплуатационные параметры турбомашины. ЗПК могут использоваться для уменьшения шума как вновь проектируемых машин, так и существующих агрегатов и оборудования. Процессы, происходящие в канале турбомашины и приводящие к генерации и гашению звука, очень сложны, поскольку необходимо учитывать множество факторов: сложную форму канала, неоднородное поле течения внутри турбомашины, нелинейные процессы гашения звука в ячейках звукопоглощающих конструкций, сложную пространственную структуру генерируемого звука (модальный состав) и другие, в том числе и случайные факторы. В настоящее время имеются хорошо разработанные теории, позволяющие учесть некоторые из перечисленных факторов, такие как неоднородный поток, сложную форму канала, нелинейное поведение ячейки ЗПК, дифракционные эффекты на стыке поглощающей и жесткой стенок, а также отражение от открытого конца волновода. Существуют также способы теоретической и экспериментальной оценки модового состава звука, генерируемого турбомашиной, однако качество определения модовых амплитуд с использованием таких методик представляется недостаточным для правильного выбора звукопоглощающих конструкций. В связи с этим сложная структура звукового поля учитывается весьма ограниченно, неравномерный модовый состав генерируемого звука задается априорно или совсем не учитывается. Как правило, при выборе звукопоглощающей облицовки, используются достаточно простые модели, не позволяющие решить задачу в комплексе. Поэтому создание целостной инженерной методики выбора ЗПК, позволяющей учесть все вышеперечисленные факторы и, в том числе, неоднородный модовый состав генерируемого звука, является актуальной проблемой, разрешимой только с привлечением целого комплекса математических моделей и хорошо спланированного эксперимента. Дополнительным показателем актуальности проблемы является то, что в 2008 году работа по созданию методики анализа шума лопаточных машин, занимающая центральное место в настоящей работе, была удостоена Премии Пермского края в области науки 2 степени. Также в 2008/2009 годах автору работы были назначены: именная стипендия Президента Российской Федерации для аспирантов и именная стипендия Пермского края для аспирантов.
Целью данной работы является разработка математических моделей, описывающих распространение звука в каналах с поглощающими стенками и создание на их основе методики, позволяющей учитывать модальный состав генерируемого тонального шума, для выбора звукопоглощающих конструкций, обеспечивающих наибольшее затухание звука в осесимметричном канале турбомашины при наличии неравномерного осесимметричного потока.
Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи:
-
Разработать программу, позволяющую рассчитывать распространение звука в каналах турбомашин с учетом сложной осесимметричной формы волновода, неоднородного в меридиональном сечении поля течения, поглощающих стенок канала и сложного модального состава генерируемого звука.
-
Выбрать и обосновать математическую модель для описания поглощающих свойств ЗПК, позволяющую с достаточной степенью точности и за приемлемое время вычислять акустические свойства конструкции.
-
С помощью математической модели распространения звука в канале разработать методику, учитывающую сложную осесимметричную форму канала и неоднородное в меридиональном сечении поле среднего течения, для определения модального состава тонального звука, генерируемого турбомашиной.
-
На основе решения первых трех задач, реализовать программный комплекс для расчета акустической эффективности ЗПК и выбора конструкций с наилучшими параметрами. Применить созданный комплекс программ для решения модельных и практических задач о выборе наилучшей облицовки для каналов турбомашин.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основе численного решения линеаризованного уравнения Эйлера разработана методика обработки экспериментальных данных о шуме для определения модального состава звуковых полей, генерируемых турбомашиной, позволившая впервые учесть сложную осесимметричную форму канала, неоднородное осесимметричное поле течения внутри него, эффекты дифракции и интерференции на выходе из волновода и случайные пульсации потока не связанные с воздействием турбомашины. Методика протестирована на вычислительных примерах.
-
Впервые создана комплексная инженерная методика для выбора звукопоглощающих конструкций в каналах турбомашин, использующая линеаризованные уравнения Эйлера и позволяющая учитывать сложную пространственную структуру звукового поля (модальный состав), однородные поглощающие свойства ЗПК при высокой интенсивности падающей волны, сложные дифракционные эффекты на стыке жесткой и поглощающей стенок, а также отражение звука от открытого конца волновода.
Практическая значимость. Разработанные методики и комплексы программ используются на ОАО “Авиадвигатель” (г. Пермь) при проектировании звукопоглощающей облицовки для каналов авиационных двигателей.
Созданная методика может быть использована как самостоятельная аналитическая система для выбора конструктивных параметров ЗПК. Разработанный комплекс программ также может быть использован для более эффективного планирования акустических испытаний ЗПК и позволит существенно сократить материальные и временные затраты на создание систем шумоглушения для каналов турбомашин.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы, основанные на общих законах механики жидкости и газа, и современные методы вычислительной газодинамики и акустики.
На защиту выносятся:
1. Методика и программа для обработки экспериментальных данных о шуме с целью определения модального состава звука, генерируемого турбомашиной на исследуемой частоте, позволяющие в линейном приближении учесть сложную осесимметричную форму канала, неоднородное осесимметричное поле течения внутри него, эффекты дифракции и интерференции на выходе из волновода и случайные пульсации потока, не связанные с воздействием турбомашины.
2. Комплекс программ, реализующий методику выбора наилучших ЗПК для каналов турбомашин, учитывающую в линейном приближении сложную пространственную структуру звукового поля, однородные поглощающие свойства ЗПК при высокой интенсивности падающей волны, сложные дифракционные эффекты на стыке жесткой и поглощающей стенок, а также отражение звука от открытого конца волновода.
3. Результаты решения модельных тестовых задач по определению наилучших звукопоглощающих конструкций и модального состава с помощью разработанных методик и программ.
Достоверность результатов подтверждается сопоставлением полученных с использованием разработанной методики результатов с результатами расчетов других авторов, решением модельных задач, удовлетворительным соответствием результатов расчетов экспериментальным данным, доступным в открытой печати. Обоснованность методики определения модального состава подтверждается ее успешным применением к анализу известных вычислительных сигналов, заданных в качестве экспериментальных данных. Достоверность полученных результатов также подтверждается проведением расчетов на последовательности сгущающихся сеток (принцип Рунге).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: 18 сессии Российского Акустического общества (Таганрог, 2006), 19 сессии Российского акустического общества (Нижний Новгород, 2007), Всероссийской научно-практической конференции “Вычислительный эксперимент в аэроакустике” (Светлогорск, 2006), Второй открытой Всероссийской научно-практической конференции “Вычислительный эксперимент в аэроакустике” (Светлогорск, 2008), X Всероссийской научно-технической конференции АКТ-2007 (Пермь, ПГТУ, 2007), XI Всероссийской научно-технической конференции АКТ-2008 (Пермь, ПГТУ, 2008), 16-й Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов “Математическое моделирование в естественных науках” (Пермь, ПГТУ, 2007), Международной научно-технической конференции “Новые рубежи авиационной науки” (Москва, 2007), VII Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, Крым, 2008), Всероссийской открытой конференции по авиационной акустике (ЦАГИ, Москва – Звенигород, 2009), семинарах кафедр ММСП ПГТУ (Руководитель – д.ф.-м.н., профессор П.В. Трусов) и МССиВТ ПГУ (Руководитель – к.ф.-м.н., доцент В.М. Пестренин).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 14 научных публикациях, в том числе в 2 статьях из перечня ВАК, в 1 периодическом сборнике научных трудов, а также в материалах Международных и Всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, 6 приложений и списка литературы. Каждая глава завершается выводами. Объем диссертации составляет 146 страниц, содержит 66 рисунков и список цитированной литературы из 150 работ российских и зарубежных авторов.
