一种采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法与流程

本发明涉及航空发动机燃烧室稳定性研究与声学测试，具体涉及一种采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法。

背景技术：

1、在航空发动机燃烧室的研发过程中，对于设计好的燃烧室，一般会对单头部或者整个燃烧室在试验台上进行部件级试验。通过向入口供给稳定的来流空气，分析冷态流场与燃烧过程以检测燃烧室的性能。然而，在传统的部件级实验中，燃烧室上下游真实的声学边界（即压气机出口和涡轮进口部件对声波的反射与透射特性）往往没有被准确考虑在内。

2、随着航空发动机对氮氧化物排放的要求日益严格，现代低污染燃烧室普遍采用贫油预混燃烧模式。在这种模式下，燃烧系统极易发生由燃烧热释放脉动与声场相互作用引发的正反馈，即发生热声耦合振荡（燃烧不稳定）。这种高幅值的压力和热释放振荡会严重破坏燃烧过程，甚至导致燃烧室及整机结构的疲劳磨损和断裂故障 。由于热声不稳定性在很大程度上取决于燃烧室两端的声学边界条件（通常用声阻抗或声反射系数来表征），如果部件级试验无法真实复现压气机与涡轮对燃烧室的热声耦合作用，将导致试验台测得的燃烧性能与整机环境下的实际表现相去甚远。若依赖整机试验进行燃烧室设计的反复迭代，其时间成本与经济成本是难以承受的。

3、目前，模拟声学边界的方法主要分为主动控制与被动控制两种。主动控制通过传感器实时监测声场，并通过发声装置等输入反向声波来改变边界特性；但该方法对外部环境干扰极其敏感，且高温高压及大流量试验环境下，主动发声装置通常无法达到所需的声功率要求。被动控制则通过几何结构本身或材料特性（如多孔材料、亥姆霍兹共振器等）来实现对声波的特定反射与透射。其中，穿孔板因其工作原理清晰（通过表面小孔与声波相互作用改变声波路径和相位），几何结构与声阻抗的关系易于计算，成为了最具备工程应用潜力的被动控制边界手段。然而，在有气流通过时，穿孔板不可避免地会对流场造成压力损失（压损），如何在准确模拟目标叶栅声学边界的同时，将引入穿孔板带来的流场压损降至最低，是亟待解决的关键技术难题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，以解决现有部件级燃烧试验中无法真实模拟整机声学边界的问题。

2、本发明提供以下技术方案：一种采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，包括以下步骤：步骤s1：建立目标燃烧室进出口叶栅的声学计算模型，基于压力声学方程进行频域求解，采用双麦克风法计算所述进出口叶栅的声反射系数，获得所述进出口叶栅在宽频范围内声反射系数随频率变化的目标特征曲线；步骤s2：建立穿孔板声阻抗与声反射系数的转换模型，基于穿孔板的几何参数构建穿孔板的转移声阻抗，并基于声质点法向速度连续性推导穿孔板声反射系数的计算公式；步骤s3：在固定穿孔板声阻抗虚部值及穿孔率的条件下，通过cfd流场计算获得不同孔厚与孔径之比下的相对压力损失，确定使相对压力损失最低的最优相对厚度比例；步骤s4：将所述目标特征曲线划分为低频段与高频段，分别在各频段内以穿孔板声反射系数计算值与目标特征曲线差值之和最小为目标，搜寻各频段最佳几何系数，联立所述最优相对厚度比例约束，求解得到穿孔板最终参数。

3、与现有技术相比，本发明采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：该方法通过系统性地获取叶栅声学特征、构建转换模型、优化穿孔板结构以降低压损，并采用分段拟合技术，能够在试验中低成本、高精度且低压损地模拟燃烧室声学边界条件。

1.一种采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，步骤s1中，所述声学计算模型为三维声学计算模型或二维声学计算模型；所述双麦克风法中，在流道内设置第一测点与第二测点，提取两测点处复数声压的比值计算声反射系数，两测点的间距s满足，其中c0为介质声速，fmax为最大计算频率，x2为第二测点到测量截面的距离。

3.根据权利要求2所述的采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，步骤s2中，所述转换模型引入开孔角度θ对穿孔板转移声阻抗虚部进行修正，所述开孔角度θ为穿孔板开孔轴线与穿孔板法向截面的夹角；归一化后的穿孔板声反射系数计算公式为，其中z1为归一化转移声阻抗。

4.根据权利要求3所述的采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，步骤s3中，所述cfd流场计算采用n-s方程结合湍流模型进行求解，所述相对压力损失按以下公式计算：，其中，，pin为穿孔板入口静压，pout为穿孔板出口静压。

5.根据权利要求4所述的采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，步骤s4中，穿孔板声反射系数计算值的幅值表示为：，其中f为频率，b为与穿孔板几何参数相关的几何系数；所述差值之和为各频率点处目标特征曲线幅值与声反射系数计算值幅值之差的绝对值之和，通过循环遍历搜寻使所述绝对值之和最小的最佳几何系数b。

6.根据权利要求5所述的采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，步骤s1中，所述声反射系数的计算公式为：，其中h12为第二测点与第一测点处复数声压之比，k为波数，s为两测点间距，x1为第一测点至测量截面的距离。

7.根据权利要求6所述的采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，步骤s2中，所述穿孔板转移声阻抗虚部的计算公式为：，其中k0为波数，t为孔厚，d为孔径，φ为穿孔率，θ为开孔角度。

8.根据权利要求7所述的采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，步骤s3中，所述湍流模型为realizable k-ε湍流模型；所述最优相对厚度比例为t/d = 1。

9.根据权利要求8所述的采用穿孔板模拟燃烧室声学边界的方法，其特征在于，步骤s2至步骤s4迭代执行：在步骤s4求得穿孔板最终参数后，将所述参数代入步骤s2的转换模型重新计算穿孔板声反射系数，与所述目标特征曲线比对，若误差超出预设阈值则返回步骤s3重新优化，直至误差满足要求为止。