本文面向初学者介绍气动声学和流动噪声研究的过去和现况,以声比拟为主要线索展开讨论,澄清了一些常见概念和误区,并解释了代表性问题的气动发声机制,兼顾评述了计算方法和实验技术,最后展望了未来可能有所发展的研究方向。

以中国-俄罗斯民用飞机起落架噪声特性及控制技术联合研究中所使用的5.5 m×4 m声学风洞(FL-17风洞)为例,介绍了大型声学风洞在科研工作中的应用情况。首先介绍了FL-17风洞的研制历程与各项性能指标;然后基于中俄联合研究中的大尺度起落架气动噪声风洞试验,概述了起落架噪声相关领域的研究现状,以及利用FL-17风洞开展的起落架噪声机理与控制技术方面的研究内容与成果,如试验、数值模拟和噪声预测数据库,以及基于非常规截面方法和空气幕方法的起落架降噪技术等;最后,对于大型声学风洞的科研使用给出了一些经验和建议。

为了研究不同形式风挡的高速列车在明线运行时的气动噪声,给3辆编组的高速列车模型分别配备3种不同形式的风挡(仅具内风挡、内风挡+半开放式外风挡、内风挡+全封闭式外风挡),运用大涡模拟的方法,对流场进行瞬态计算并获得列车表面动态压力,经傅里叶变换后,对整车及风挡局部的偶极子声源进行频谱分析。研究表明,不同速度下的高速列车表面统计平均A计权声压级频谱曲线基本平行,声压级随着高速列车运行速度的提高而增加,其高频段和低频段声压级较小,在200~1000 Hz之间较高,形成了一个宽频段;与整车表面相比,风挡局部表面偶极子声源的平均A计权声压级明显更高,低频段增加也非常明显,宽频区域也更大,说明风挡局部是全车主要噪声来源之一;3种风挡局部噪声由大到小顺序为仅具内风挡>内风挡+半开放式外风挡>内风挡+全封闭式外风挡,即内风挡+...

本文采用LES/FW-H混合算法开展超声速欠膨胀喷流噪声模拟,研究了欠膨胀状态下喷流流场与声场特征,发现欠膨胀喷流核心区下游平均流向速度衰减较理想膨胀喷流减缓,而湍流速度脉动值增大。此外,欠膨胀喷流中激波波系/喷流剪切层干扰增大了作用点附近的高频和低频压强脉动值,其辐射的宽频激波噪声增强了侧向与上游方向的高频噪声。通过分解近场声场,并结合激波波系的捕捉结果,详细给出了激波泄漏产生宽频激波噪声的过程,揭示了宽频激波噪声的产生机理。

声学超构材料作为一种新型的人工结构材料,拥有天然材料所不具备的超常物理特性,比如负质量、负刚度等。声学超材料通过对其声学特性参数的研究和控制可以实现声隐身、波束控制等功能。与传统声学材料相比,声学超材料具有设计性强、拓展性强等优点,可以突破传统声学材料的物理极限,为小尺寸、轻量化结构解决低频减震降噪、低频宽带声波控制等瓶颈问题提供新思路。仿生学是利用生物学原理发展起来的新兴学科。将仿生学与声学超材料相结合,国内外学者开展了大量的研究工作,尤其在空气动力学及流体动力学降噪方面取得了卓越的研究成果。本文简要回顾过去几十年仿生声学超材料的研究进展,并介绍了相关的代表性工作,期望未来仿生声学超材料能够在低频声波控制、水下应用等方面发挥更大的作用和优势。

受电弓及其空腔部位是高速列车主要的气动噪声源,降低这种噪声尤为重要。在以往的高速列车气动噪声研究中,对受电弓空腔部位的关注较少。针对高速列车受电弓及其空腔气动降噪问题,文中采用数值计算方法,研究简化的高速列车模型在350 kmh-1下,受电弓空腔前缘射流降噪处理方式的流场特性和噪声传播规律。结果表明,在纯空腔前缘施加射流可以显著降低空腔内和受电弓附近的非定常流动,当射流速度为27 ms-1时,空腔后壁声源在空腔顶部和侧部辐射噪声的声压级降低最大值为5 dB,受电弓侧面监测点的噪声显著降低。文中研究为低马赫数下的过渡式空腔射流降噪研究提供了参考。

根据对飞机噪声控制技术历史发展演化过程的总结分析,研究了民用航空发动机气动与声学一体化设计的目标、方法、流程、理论模型和发展趋势等。基于对航空发动机气动设计过程的分析,给出了航空发动机气动与声学一体化设计的流程和方法。分别从"发动机总体热力循环设计""发动机部件通流设计""发动机部件三维详细设计"等三个流程,介绍了航空发动机声学设计理论和技术国内外的发展情况,详细论述了发动机气动声学设计的理论、模型和方法,分析了目前航空发动机声学设计理论的主要问题及未来的研究重点,并以具体发动机设计实例分析了不同设计阶段航空发动机的气动与声学一体化设计方法思想。

介绍了一种直升机柔性转子的气动声学设计优化方法的开发与应用。多学科设计优化方法结合了空气动力学、气动弹性和气动声学3个学科,来确定最佳的柔性转子形状,从而在前倾飞行中最小化转子所需的扭矩,以降低噪声的来源。通过与一些声学工具的对比,首次验证了新实现的气声性能,能够有效地降低飞行噪声。通过改变叶片的形状,在减小磁场观测器处的声学信号的同时,使前倾飞行中的柔性转子所需的扭矩最小化。提出的伴随公式可以有效地计算优化算法所要求的灵敏度。通过理论分析、CATIA三维建模和ANSYS仿真分析对直升机的柔性转子进行了气动声学的研究。

为降低高速列车受电弓部位的气动噪声,对受电弓底部空腔采用射流降噪的主动控制方法。建立高速列车纯空腔射流参数化模型,选用合适的数值模拟方法对参数模型进行流场和声场的对比分析计算,在保证空腔后壁面阻力系数尽量小的情况下,得到使空腔远场降噪效果最佳的射流方式。根据射流设计变量与相关力系数、远场噪声等优化目标之间的非线性关系,选用支持向量回归-多目标遗传优化设计算法,对已有的数值计算样本进行多目标寻优设计,获得一系列Pareto最优射流方式。结果表明空腔射流流量与流场、声场变化无明显线性关系,射流位置在空腔壁面偏上位置时降噪效果更好;受电弓空腔固有频率与声场峰值频率范围不同,避免了声腔共振的问题。研究空腔射流对受电弓的影响,发现受电弓弓头升力系数不受射流影响,并且降噪效果优于纯空腔射流,整体...

螺旋桨噪声在航空航天和水中装备等领域广泛存在,是气动声学领域的重要问题和难点问题。螺旋桨噪声问题涉及时间和空间上非均匀各向异性的湍流来流,乃至多尺度的湍流结构与叶片之间的复杂干涉作用,对于螺旋桨噪声问题中的物理机制尚需进一步探索。本文首先针对20世纪70年代提出的螺旋桨吸入湍流噪声的基线问题,详述了50年来螺旋桨噪声研究的发展历史,分析和归纳了螺旋桨噪声在理论、试验和计算等方面的研究成果,并对一些尚未解决的难点进行了阐述。接着介绍了转静干涉、吸入边界层湍流等螺旋桨噪声的若干基本问题。最后,结合实际需求,对下一代飞行器、无人机和水中装备等领域的研究历史和发展现状进行了阐述,并对螺旋桨噪声研究的未来发展方向和潜在应用进行了展望。