Ход реализации проекта
Работа Лаборатории осуществляется в соответствии с планом работ научного исследования на 2014-2018 гг.
На I этапе (2014 г.) проведена научно-исследовательская работа.
1. Разработаны требования к помещению заглушенной камеры для проведения акустических измерений; предложены варианты звукопоглощающей облицовки камеры, размещение источников звука.
2. Описан метод измерения аэроакустических характеристик турбулентных источников в свободном пространстве и при наличии жесткой стенки с помощью разложения звука в дальнем поле на азимутальные компоненты с помощью линейной решетки микрофонов. Определено необходимое количество микрофонов для вычисления первых трех азимутальных мод шума струи на открытом стенде.
3. Рассмотрены существующие методы измерения мод, излучаемых из воздухозаборника. Совместно со специалистами компании Bruel&Kjaer определены оптимальные решения расположения микрофонов в кольцевой решетке: два кольцевых массива микрофонов, а также один линейный. Разработана геометрия массивов. Определен облик экспериментальной установки для определения модального состава в воздухозаборнике авиационного двигателя.
4. Освоена методика "бимформинга" локализации на простейших источниках применительно к задачам аэроакустики в лабораторных условиях.
5. Выполнен обзор методов определения импеданса звукопоглощающей конструкции (ЗПК) в установке «канал с потоком». Установлено, что многие полуаналитические методы имеют ряд недостатков. Чтобы их обойти, выбран численный метод решения конвективного волнового уравнения: метод Галеркина с использованием конечного элемента. В качестве процедуры поиска импеданса использован ускоренный вариант метода покоординатного спуска. Для решения задачи извлечения импеданса ЗПК написан программный продукт. При его отладке использованы имеющиеся в литературе данные по испытаниям ЗПК на установках «канал с потоком». Установлено, что результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Разработанный программный продукт будет использован в дальнейших исследованиях для определения импедансов ЗПК, создаваемых в рамках гранта. Для проведения сравнительных испытаний и развития методов определения импеданса звукопоглощающих конструкций (ЗПК) выбраны параметры образцов ЗПК для установок «канал с потоком».
6. Разработаны чертежи на изготовление образцов сотовых конструкций, для определения акустических параметров. В чертежах подобранны: схемы армирования, геометрические размеры, степень перфорации, количество слоёв сотового заполнителя и размеры рабочей зоны. Разработана технология изготовления образцов сотовых конструкций для определения акустических параметров. Образцы сотовых конструкций изготавливаются автоклавным методом формования оболочек и приклейкой к сотовому заполнителю на плёночный клей. Технологическая инструкция регламентирует все этапы изготовления образцов для обеспечения повторяемости и качества производства.
7. В рамках решения задачи развития предсказательной теории генерации шума в турбулентных потоках выполнен анализ существующих и перспективных конструкций установок формирования вихревых колец. Определено, что наиболее удобной в эксплуатации и позволяющей создавать кольца в широком диапазоне параметров, является установка, приводимая ударным механизмом, со специальной системой контроля хода поршня, имеющая звукопоглощающие стенки, обеспечивающие демпфирование паразитных колебаний генератора. Для выбранной конструкции подробно проработаны геометрические характеристики, выполнен расчет ударного механизма и расчет прочности. Разработан сборочный чертеж, спецификация. Выполнен расчёт капитальных затрат на производство генератора вихревых колец. Готовится более полный комплект документации для передачи установки в производство.
8. Для выбранной геометрии спроектированной установки проведено численное моделирование формирования вихревого кольца при ударном нагружении поршня. Выполнены расчеты на основе моделей турбулентности k-ε, SST и LES. Проведена оценка влияния модели турбулентности на точность решения задачи путем сравнения расчетных данных с имеющимися в литературе экспериментальными данными. Определено, что наиболее точно из рассмотренных моделей формирование вихревого кольца описывает модель LES. Отлажена методика расчета. На ее основе дальнейшие расчеты будут проводиться на университетском суперкомпьютере.
На II этапе (2015 г.) проведена научно-исследовательская работа.
1. Введена в эксплуатацию заглушенная камера с потоком, соответствующая требованиям к заглушенным камерам исследовательского типа.
2. Разработана методика численного моделирования истечения струи в заглушенную камеру; проведен выбор расположения системы отвода воздушной струи из камеры; продемонстрирована работоспособность предложенной системы подачи-отвода потока в заглушенной камере.
3. Спроектирован и изготовлен генератор вихревых колец; проведены измерения излучения шума вихревым кольцом в заглушенной камере; продемонстрирована возможность проведения визуализации и измерения шума вихревого кольца в заглушенной камере.
4. Отработана методика измерения импеданса образца на интерферометре.
5. Разработана уточненная модель квадрупольных источников шума в турбулентной струе, учитывающая наличие слоя смешения конечной толщины и, следовательно, эффекты рефракции на поле течения струи. Разработан способ переноса метода азимутальной декомпозиции шума струи с лабораторных условий на условия открытого стенда за счет неравномерного расположения микрофонов. Модифицированная методика валидирована на данных маломасштабных лабораторных измерений.
6. Проведены эксперименты на маломасштабной (диаметр 200 мм) модели воздухозаборника с целью демонстрации возможности и отработки методики генерации вращающихся мод с помощью динамиков, излучающих гармонический звуковой сигнал с фиксированным сдвигом фаз. Выполнен анализ методов измерения модального состава по данным микрофонов кольцевой решетке в канале воздухозаборника.
7. Изготовлена экспериментальная установка генерации и измерения вращающихся мод на натурном воздухозаборнике для испытаний в лабораторных условиях (без потока). Разработана программа испытаний в лабораторных условиях и методика обработки результатов измерений, применимая как в лабораторных условиях, так и в условиях открытого стенда. Проведены эксперименты по измерению азимутальных мод в
натурном воздухозаборнике в лабораторных условиях (измерения в заглушенной камере ПНИПУ, без потока).
8. Проведены эксперименты по локализации источников звука, создаваемых тепловым воздействием в обтекаемом потоке (диэлектрический барьерный разряд). Проведены эксперименты в условиях открытого стенда с целью отработки локализации источников с помощью метода "бимформинг".
9. Сформулированы физическая и математическая модели по прогнозированию эффективных акустических, свойств ячеек ЗПК различной формы. Разработаны геометрические модели с резонаторами различной формы и одинаковым объемом. Проведены численные эксперименты по моделированию акустической волны в модельном канале с резонаторами различной формы и с различным конструктивным оформлением горла.
Осуществлен расчет величины демпфирующего эффекта производимого ячейками различной формы, установленной на стенке модельного канала. Проведен анализ результатов, построены зависимости коэффициента потери акустического давления.
10. Разработана и отработана технология изготовления звукопоглощающих панелей с различными типами заполнителя, а так же высокими показателями точности расположения перфорации на установке послойного синтеза Envisiontec Perfactory XEDE из жидкого фотополимера. Спроектированы 3D модели образцов ЗПК для проведения сравнительных испытаний. Данные образы созданы посредством 3D печати. Образцы испытаны на установках «Канал с потоком» ОАО «Авиадвигатель», ЦАГИ.
11. На основе различных методик написаны программы для извлечения импеданса образцов ЗПК. По программам определены звукопоглощающие характеристики данных видов конструкций, выполнен сравнительный анализ результатов.
12. Сформулированы физическая и математическая модели по прогнозированию эффективных акустических параметров системы шумоглушения с дополнительными акустическими источниками. Проведены численные эксперименты по моделированию акустической волны в модельном канале с резонатором призматической формы и с одним дополнительным источником шума (акустический излучатель). Проведено исследование амплитуды излучателя и его расположения относительно ячейки на акустическую эффективность системы. Проведен анализ результатов, построены зависимости коэффициента потери акустического давления на выходе из модельного канала от частоты сигнала и расстояния между резонатором и излучателем.
13. Отработан метод экспериментального исследования структуры трехмерных пульсаций полей давления при обтекании модели. Проведена серия экспериментов с различными маломасштабными моделями носовой части.
14. Разработана инженерная методика оценки влияния колебаний конструктивных элементов РДТТ на акустическую устойчивость. Выполнена формулировка конструктивно-технических мероприятий для снижения
амплитуды колебаний давления в камере сгорания при возникновении продольной акустической неустойчивости. Разработаны алгоритмы для определения собственных частот колебаний конструктивных элементов и узлов РДТТ на основе ряда моделей.
15. Проведены экспериментальные исследования в условиях открытого стенда: азимутального состава звукового поля в канале воздухозаборника авиационного двигателя; разложения шума струи натурного авиационного двигателя на азимутальные моды с помощью модифицированного метода азимутальной декомпозиции; локализация источников с помощью метода "бимформинг".
16. Разработаны технологические инструкции для изготовления конструктивно-подобных элементов ЗПК: из ПКМ ЦТ175-15ТУ «Изготовление КПЭ типовых деталей двигателя с ЗПК из ПКМ»; из ПКМ ЦТ175-15ТУ «Изготовление КПЭ типовых деталей двигателя с ЗПК из ПКМ». Для проведения отработки технологии изготовления и исследования статических свойств конструктивно-подобных элементов с сотовыми конструкциями панелей корпуса воздухозаботника были изготовлены КПЭ корпуса воздухозаборника из углепластика ВКУ-29 и КПЭ створок реверсивного устройства из углепластика ВКУ-39.
На III этапе (2016 г.) проведена научно-исследовательская работа
1. Проведен комплексный анализ разработанных методов измерения источников шума авиационного двигателя на натурном стенде: измерения азимутальных мод шума струи двигателя, сформулированы параметры положений микрофонов в зависимости от высоты установки двигателя над поверхностью земли; метода выделения азимутальных мод в канале применительно к численному моделированию распространения звука в канале воздухозаборника натурного двигателя; метода локализации источников шума с помощью метода бимформинга для авиационного двигателя, излучаемого как в переднюю, так и в заднюю полусферу. Полученные результаты показывают высокое соответствие экспериментальных и численных значений, работоспособность предложенных методов.
2. Проведен анализ пересчета результатов маломасштабных лабораторных экспериментов на натурные условия применительно к шуму элементов авиационных двигателей: выполнено прямое сравнение распределений мод в среднем акустическом поле натурной струи и маломасштабной струи для геометрически подобных распределений микрофонов.
3. Проведена разработка численных моделей по расчету акустических процессов в канале с различными вариантами установки в нем резонаторов разных конструкций.
4. Разработаны и изготовлены маломасштабные образцы звукопоглощающих конструкций (ЗПК) с разной конструкцией резонаторов для проведения экспериментальных исследований в интерферометре. Проведены экспериментальные исследования в интерферометре на маломасштабных образцах ЗПК с разной конструкцией резонаторов для верификации численных моделей по расчету акустических процессов в канале с резонаторами.
5. Выполнено численное моделирование акустических процессов в канале с различными вариантами установки в нем резонаторов разных конструкций. Определены новые схемы взаимного размещения ЗПК и изготовления элементов деталей с ЗПК с улучшенными характеристиками шумоглушения.
6. Проведена отработка технологии изготовления элементов деталей авиационного двигателя с элементами звукопоглощающего контура. Изготовлена деталь - прототип элемента корпуса переходного с трехслойной панелью звукопоглощающего контура.
7. Проведены экспериментальные исследования по определению импеданса конечных изделий c ЗПК с помощью портативных систем. Разработан метод контроля импеданса ЗПК в узлах габаритных конструкций. Разработаны принципиальные схемы установок для проведения экспериментов по определению усредненного по поверхности импеданса конечных изделий с ЗПК.
8. Проведены и обработаны испытания по разложению акустического поля струи на отдельные азимутальные компоненты в условиях открытого двигательного стенда для различных режимов двигателя. Впервые в мировой практике получены спектры и направленности ассиметричной азимутальной моды и суммы первой и второй мод для различных скоростей истечения реактивной струи.
9. Проведены измерения акустического поля вентилятора с разделением на моды для испытаний авиационного двигателя на открытом стенде. Впервые в отечественной практике определены зависимости номеров доминирующих мод на частоте следования лопаток в зависимости от режима работа двигателя для дозвуковых и сверхзвуковых скоростей движения концов лопастей.
10. Проведены испытания по локализации источников шума на натурном авиационном двигателе на открытом стенде с помощью микрофонной решетки («бимформинг»). Впервые в отечественной практике были определены положения максимума в источнике шума струи для различных режимов работы двигателя, проведена локализация источника шума, излучаемого из воздухозаборника, при наличии и в отсутствии ПВУ.
11. Разработана технологическая инструкция для изготовления створки реверсивного устройства из полимерных композиционных материалов с модифицированными ЗПК. ЦТ190-16ТИ.
12. Спроектирована и изготовлена технологическая оснастка для изготовления створки реверсивного устройства с модифицированными элементами звукопоглощающего контура.
13. Изготовлены конструктивно-подобные элементы деталей двигателя с ЗПК модифицированного типа из ПКМ на примере створки реверсивного устройства с модифицированными элементами звукопоглощающего контура согласно технологической инструкции ЦТ191-16ТИ.
14. Проведена доводка оборудования и помещений лаборатории: выполнены измерения шума турбулентной воздушной струи в заглушенной камере, результаты измерений сравнивались с результатами аналогичных исследований в других заглушенных камерах; проведены исследования по влиянию отдельных конструктивных элементов струйной установки на уровень структурного шума, проникающего в заглушенную камеру; разработаны меры по снижению структурного шума струйной установки; разработаны и изготовлены сопла и сопловые насадки разных калибров для струйной установки и установки генерации вихревых колец.
15. Создан механический участок для обеспечения условий самостоятельного изготовления и ремонта приспособлений, необходимых для проведения экспериментов.
На IV этапе (2017 г.) проведена научно-исследовательская работа
1. Разработана и изготовлена двухконтурная микрофонная решетка для азимутальной декомпозиции шума. В заглушенной камере ЛМГШиМА проведены эксперименты по измерению данной решеткой направленности шума воздушной турбулентной струи. Полученные экспериментальные данные обработаны собственным кодом, реализующим различные варианты метода азимутальной декомпозиции шума.
2. Разработан собственный программный код, реализующий алгоритмы плоского бимформинга Delay-and-Sum, Crossspectral Beamforming и DAMAS. В заглушенной камере ЛМГШиМА проведены эксперименты по измерению источников звука в воздушной турбулентной струе 54- канальной микрофонной решеткой. Полученные экспериментальные данные обработаны разработанным программным кодом. Построены карты локализации источников звука в воздушной турбулентной струе.
3. Проведены измерения по локализации вращающихся звуковых мод авиационного двигателя ПС-90А методом бимформинга в условиях открытого стенда.
4. В заглушенной камере ЛМГШиМА проведены эксперименты по исследованию шума вихревого кольца в дальнем поле. Проведен анализ и отбор временных реализаций и построены траектории их движения. Обработаны результаты шума в дальнем поле для выбранных реализаций, построены усредненные спектры вихревого кольца на различных участках траектории с кольцом и без кольца.
5. Разработана конструкция решетки для азимутальной декомпозиции шума вихревого кольца. В заглушенной камере ЛМГШиМА проведены эксперименты по измерению шума вихревого кольца данной решеткой. Проведен анализ временных реализаций, сделана выборка реализаций для дальнейшего исследования. Проведена обработка выбранных реализаций шума вихревого кольца методом азимутальной декомпозиции.
6. Разработаны и верифицированы методы идентификации радиальной структуры азимутальных мод в цилиндрическом канале для случаев нескоррелированных и скоррелированных мод.
7. Выполнены расчеты распространения отдельных акустических мод в цилиндрическом канале, имитирующем воздухозаборник реального двигателя с генератором мод, состоящим из 30 динамиков. При расчетах задавались как распространяющиеся моды, так и затухающие моды.
8. Разработаны тестовые образцы однослойных и многослойных ЗПК для валидации различных методов по извлечению импеданса.
9. Рассмотрено влияние различных вариантов условий отражения на конце канала на извлекаемый импеданс образца ЗПК. Оптимизировано и определен оптимальное число измерительных каналов для извлечения импеданса.
10. Выполнена конструктивная проработка элементов установки испытаний крупногабаритных звукопоглощающих конструкций. Проведено численное моделирование акустических процессов по распространению и последующей идентификации вращающихся мод в установке. В заглушенной камере ЛМГШиМА проведены испытания элементов установки.
11. Разработаны твердотельные модели и чертежи элементов установки. Изготовлены элементы установки испытаний крупногабаритных звукопоглощающих конструкций.
12. Разработан метод определения импеданса крупногабаритной звукопоглощающей конструкции. Выполнено численное моделирование акустических процессов в установке испытаний крупногабаритных звукопоглощающих конструкций для разных вариантов азимутального модального состава звукового поля и импедансов звукопоглощающей конструкции. На основе численного моделированя отработано извлечение импеданса для полномасштабной модели и для сектора установки при разных вариантах азимутального модального состава звукового поля и импедансов звукопоглощающей конструкции.
13. Выполнены расчеты нестационарного обтекания отдельной лопатки вентилятора в пакете ANSYS CFX. Получены величины пульсаций скорости в следе за рабочей лопаткой вентилятора. Выполнена предварительная обработка результатов расчетов.
14. Разработана физическая и математическая модели по расчету эффективных акустических характеристик ячеек ЗПК (резонаторов Гельмгольца) различной формы. Проведены численные эксперименты по моделированию акустической волны в модельном канале с резонаторами различной формы при наличии потока. Осуществлен расчет величины демпфирующего эффекта, производимого ячейками различной формы (призматическая и биконическая), установленной на стенке модельного канала, в диапазоне частот 100-300 Гц, при наличии потока М=0,05.
15. В разделе рассмотрены возможные варианты изготовления мастер-моделей и технологических оснасток для изготовления крупногабаритных конструкций с усовершенствованными ЗПК. Проведена разработка технологической инструкции и разработана конструкторская документация на изготовление типовой панели с элементами звукопоглощающего контура с различными вариантами заполнителя.
16. Приобретено новое научное оборудование: генератор вращающихся звуковых мод (корпус; центральное тело; горн акустический; фланцы фанерные; лемниската, втулка микрофонная с заглушкой, динамик Selenium D408Ti); генератор вихревых колец; портальный 5-ти осевой обрабатывающий центр модели Contourfive NC 1200.