Моделирование шума взаимодействия открытого ротора

Основным источником шума современных авиационных двигателей является винтовентилятор. Поскольку натурные эксперименты очень дорогостоящие, решение задачи о снижении шума необходимо получать еще на этапе проектирования. Прогресс в вычислительной технике и развитие численных методов позволяют решить задачу о моделировании нестационарного взаимодействия распространении акустических волн на достаточно высоком уровне.

Методы, нашедшие применение в вычислительной аэроакустике, часто основаны на акустических аналогиях. Поэтому процесс предсказания шума проводят в два этапа. На первом этапе решается аэродинамическая задача, а на втором – акустическая. При этом основным минусом данного подхода является высокая вычислительная нагрузка при вычислении аэродинамических источников шума [1, 2]. В этой связи особое место среди методов предсказания шума по-прежнему занимают аналитические методы, позволяющие с помощью «скромных» вычислительных ресурсов получить априорные оценки на ранних этапах проектирования.

В работах [3, 4] был предложен полуаналитический метод для прогнозирования широкополосного шума, возникающего в результате взаимодействия между турбулентным следом от переднего ротора с задним в биротативном винтовентиляторе (открытом роторе). Нестационарная нагрузка на задний ротор моделировалась с помощью теории тонкого профиля. Для вычисления аэродинамических сил использовалась теория полос. Турбулентный след задавался моделью однородной изотропной турбулентности. Данная модель позволяет исследовать влияние на образование широкополосного шума количества лопаток, расстояния между винтами и скорости вращения винтов.

Одним из источников широкополосного шума в винтовентиляторах может быть взаимодействие турбулентного следа от пилона с лопатками ротора. В работе [5] указывается, что турбулентный след от пилона влияет на генерацию шума, производимого передним ротором. Используя подход, разработанный в [3, 4], будем моделировать пилон как неподвижный ротор с одной лопаткой, расположенный вверх по течению [6].

Для расчета шума взаимодействия турбулентного следа от пилона с передним ротором принимаем: , , ,  рад/с,  м,  м, где  - число лопаток,  - угловая скорость вращения,  - хорда. Тогда спектральная мощность сигнала определится как

,  (1)

а уровень звукового давления

  (2)

Уровень звуковой мощности вычисляется

 (3)

где    зависит от спектральной мощности сигнала (1) (обозначения согласно [4]).

Результаты расчета уровня звуковой мощности при взаимодействии пилон-ротор приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость уровня звуковой мощности от частоты (в логарифмическом масштабе) при взаимодействии пилон-ротор и ротор-ротор

На рис. 1 также показан расчет уровня звуковой мощности при взаимодействии ротор-ротор при  , , ,  рад/с,  рад/с,  м,  м и прочих равных условиях. Из рисунка видно, что максимум при взаимодействии пилон-ротор смещен в область низких частот и отличается от максимума при взаимодействии ротор-ротор на 22 дБ.

На рис. 2 показан суммарный уровень звуковой мощности при учете взаимодействия ротор-ротор + пилон-ротор.

Рис. 2. Суммарный уровень звуковой мощности при учете взаимодействия ротор-ротор + пилон-ротор

Предложенная модель расчета широкополосного шума при учете взаимодействия турбулентного следа от пилона с передним ротором дает вклад в общий шум. При этом разница между уровнем звуковой мощности при взаимодействии пилон-ротор + ротор-ротор и взаимодействии ротор-ротор не превышает 0,2 дБ от уровня, полученного в результате взаимодействия переднего ротора с задним (рис. 3).

Рис. 3. Разница между уровнем звуковой мощности при взаимодействии пилон-ротор-ротор и взаимодействии ротор-ротор