تجزیه و تحلیل نویز موتور هواپیما از طریق شبیه سازی

کاهش صدای موتور هواپیما برای سال‌های متمادی در صنعت هوانوردی یک اولویت بوده است. به حداقل رساندن انتشار صدا، البته، نیاز به درک صدای موتور دارد – وظیفه ای که به دلیل ماهیت پیچیده سیستم ها و هندسه هواپیما می تواند بسیار چالش برانگیز شود. با استفاده از مدلی از مجرای موتور هوا، ما نگاه عمیق تری به میدان صوتی در موتورهای هواپیما ارائه می دهیم.

این همه سر و صدا در مورد چیست؟

چه در راه رفتن به فرودگاه و چه صرفاً در گذر از فرودگاه، احتمالاً تماشای پرواز درست بالای سر هواپیما در حالی که آماده فرود می شود را تجربه کرده اید. اغلب منظره ای است که ما از دیدن یک هواپیما در حال پرواز به این ارتفاع به سمت زمین شگفت زده می شویم، اما عنصر دیگری که می تواند کاملاً فریبنده باشد صدایی است که هواپیما تولید می کند. در حالی که تجربه ما فقط برای یک لحظه کوتاه طول می کشد، تصور کنید برای ساکنانی که در مجاورت فرودگاه زندگی می کنند و به طور دوره ای آن صدا را در طول روز می شنوند، چه حسی دارد. با در نظر گرفتن این دیدگاه، به راحتی می توان فهمید که چرا پرداختن به سر و صدای هواپیما به یک منطقه نگرانی رایج تبدیل شده است.

از زمان تبدیل شدن به یک موضوع عمومی در دهه 1960، مقررات و تحقیقات جدید توسعه هواپیماهای ساکت تر را آغاز کرده است. یکی از عناصر طراحی که در این حرکت موفق بوده است، موتور توربوفن بای پس بالا است . این موتورها که در اکثر هواپیماهای مسافربری استفاده می شوند، دارای یک فن هستند که هوای ورودی را جذب می کند. با عبور هوا از فن، قسمتی وارد محفظه احتراق می شود، در حالی که باقیمانده موتور را دور می زند. در مقایسه با مدل قبلی خود، توربوجت ، که در آن تمام هوا از ژنراتور گاز عبور می کند، موتور توربوفن صدای کمتری از موتور هواپیما ایجاد می کند و در عین حال نیروی رانش بیشتری را در سرعت های پایین تر ارائه می دهد.

یک موتور توربوفن CFM56. (“CFM56 P1220759” توسط David Monniaux – اثر شخصی. دارای مجوز Creative Commons Attribution Share-Alike 3.0 ، از طریق Wikimedia Commons ).

با این فناوری موتور بهبود یافته، مرحله بعدی تجزیه و تحلیل میدان صوتی موتور توربوفن در تلاش برای بهینه سازی طراحی آن است. برای این کار می‌توانیم به شبیه‌سازی روی بیاوریم.

مدلسازی صدای موتور هواپیما

برای تجزیه و تحلیل نویز موتور هواپیما، می توانیم از مدل Flow Duct در COMSOL Multiphysics استفاده کنیم. این مدل دارای یک مجرای متقارن محوری در یک موتور توربوفن است. این یک مدل تقریبی از بخش ورودی توربوفن در سری CFM56 است (که در بین هواپیماهای مسافربری کاملاً رایج است). در این مثال فرض بر این است که جریان هوا تراکم پذیر، غیر چرخشی، فاقد ویسکوزیته و آنتروپی ثابت است. میدان صوتی با استفاده از معادلات جریان پتانسیل خطی شده به صورت اغتشاش در بالای جریان پس‌زمینه مدل‌سازی می‌شود. با این فرمول ها، فشار و میدان سرعت مستقیماً با یک به اصطلاح پتانسیل سرعت مرتبط و مشتق شده است.

هندسه مجرا.

در این مدل، z = 0 به عنوان صفحه مبدا نامیده می شود و نشان دهنده محل فن در هندسه واقعی موتور است. یک منبع نویز در این مرز معرفی شده است. در همین حال، z = L نشان دهنده انتهای جلوی موتور است و به عنوان صفحه ورودی شناخته می شود . متغیرهای R ₁ و R ₂ نمایه‌های اسپینر و مجرای دیوار را نشان می‌دهند.

در این مطالعه، مواردی را با و بدون جریان پس‌زمینه‌ای تراکم‌پذیر مدل‌سازی می‌کنیم. به ترتیب با عدد ماخ M = -0.5 (جریان در جهت منفی z ) و M = 0 (بدون جریان). تجزیه و تحلیل همچنین استفاده از دیوارهای سخت و اندود شده در مجرا را مقایسه می کند.

نتایج

مدل ابتدا جریان پس‌زمینه را حل می‌کند، که فرض می‌شود ثابت است. سپس، یک منبع صوتی مناسب (یک حالت ویژه انتشار داده شده) مشتق می شود. در نهایت، میدان صوتی پیدا می شود.

برای موردی با جریان پس‌زمینه متوسط ​​( M = -0.5)، پتانسیل سرعت فراتر از صفحه پایانه یکنواخت است (خطوط کانتور در نمودار زیر). علاوه بر این، انحراف در مقدار میانگین چگالی (به دلیل ماهیت تراکم پذیر جریان هوا) در نواحی غیریکنواخت هندسه مجرا، مانند نوک اسپینر، بیشتر بود. این انحرافات با رنگ های قرمز و آبی در شکل زیر مشخص شده اند.

نمودار میدان جریان متوسط ​​برای صفحه منبع M = -0.5. سطوح رنگ با چگالی پس زمینه و نمودارهای کانتور با پتانسیل سرعت مطابقت دارند.

با استفاده از این نتایج، می‌توانیم حالت‌های ویژه میدان صوتی در منبع نویز را محاسبه کنیم. می توان نشان داد که اینها جزء خاصی از منبع صدای موتور را در یک فرکانس معین نشان می دهند. نمودار زیر نمایه سرعت-پتانسیل حاصل را برای اولین حالت مرزی محوری در صفحه مبدا در حالت M = 0.5- و M = 0 نشان می دهد.

نموداری که نمایه سرعت پتانسیل حاصل را برای پایین ترین حالت نشان می دهد.

با جریان پس‌زمینه و منبعی در دست، میدان صوتی اکنون قابل حل است. نتایج (در زیر مشاهده می شود) را می توان با نتایج یک سیستم مشابه ارائه شده توسط Rienstra و Eversman (2001) مقایسه کرد.

در موارد بدون جریان پس‌زمینه، توزیع فشار صوتی برای دیواره‌های سخت و خط‌دار در مقایسه با نتایج شبیه‌سازی در مقاله، مطابقت خوبی داشت. با جریان متوسط، نتایج حاصل از مورد دیوار سخت به خوبی با راه حل های جایگزین جفت شد. با این حال، در مورد دیوار خط دار، تفاوت های قابل توجهی وجود داشت، به ویژه در نزدیکی صفحه مبدا. این تفاوت ها را می توان با اختلاف در تعریف منبع نویز توضیح داد. در این مدل، حالت منبع برای مورد دیوار مجرای سخت مشتق شده است، در حالی که شبیه‌سازی مقایسه شده از یک منبع نویز سازگار با پوشش صوتی استفاده می‌کند.

توزیع فشار در میدان صوتی برای دیواره مجرای سخت (بالا) و اندود شده (پایین) در مواردی که جریان متوسط ​​​​نداشته شده است ( M = 0).

توزیع فشار در میدان صوتی برای دیواره مجرای سخت (بالا) و اندود شده (پایین) در موارد با جریان متوسط ​​( M = -0.5).

مدل ارائه شده در اینجا بسیار مفهومی است، اما به طور بالقوه می تواند برای موقعیت های پیچیده تر گسترش یابد. با مدل‌سازی این سیستم‌ها، می‌توان شکل برخی از قطعات مجرای موتور و ویژگی‌های آستر را به منظور کاهش انتشار صدا بهینه کرد. البته چنین بهینه سازی باید با کنترل خصوصیات جریان همراه باشد تا عملکرد موتور را کاهش ندهد.

بیشتر خواندن

• خودتان امتحان کنید: هم اکنون مدل فلو داکت را دانلود کنید .
• SW Rienstra و W. Eversman, ” A Numerical Comparison Between the Multiple-Scales and Finite-Element Solution for Sound Propagation in Lined Flow Ducts ,” J. Fluid Mech., vol. 437، صفحات 367-384، 2001.