● 摘要
流体诱发的声共振是一种流场与声场之间的复杂耦合现象，已经在火箭燃烧室、军机弹舱、汽车天窗以及热交换器管束等多个领域内引起了设计者们足够的重视，因而极大的推动了这类问题的研究进展。与此同时，越来越多的研究表明航空发动机压气机内部同样存在声共振现象，由其引发的叶片断裂故障也屡见不鲜，已逐渐成为国际范围内的一项研究热点问题。然而，由于压气机内部非定常流动极其复杂，声场传播受到变截面管道、扭转叶片等复杂结构的影响。因此，若在如此恶劣的情况下研究流场和声场的耦合作用是十分困难的，对现有的数值计算方法和计算能力都提出了极为严苛的挑战。因此，本文瞄准声共振中流场与声场相互作用的物理本质，通过模型化研究深入探讨了压气机内部两种声共振模式的产生机理：一、压气机叶片槽道间声共振，又可称作Parker声共振，针对叶片尾迹诱发周向声共振问题；二、压气机叶片排级间声共振，针对叶尖泄漏涡诱发的级间腔体径向声共振问题。
从本质上而言，以上两种声共振模式的产生机理是一致的，都是由于流场在扰流体锐缘处产生分离，形成具有固有不稳定性的剪切层，当剪切层的频率与周围腔体结构的固有声模态频率一致时，便会诱发腔体声共振现象，产生高强纯音的同时，还会对结构件造成声疲劳破坏的威胁。由此可见，如何合理描述流场和声场耦合作用是求解这类问题的关键。本文正是从这一角度出发，开展了如下研究工作：
（1）叶片槽道间声共振
本文将叶片槽道简化成管道中平板叶片结构，对切向流作用下的叶片尾迹发声情况进行了数值模拟研究，尤其关注声共振状态。首先，通过离散涡模型计算了尾迹涡随时间的脱落、卷起以及向下游传输过程；然后，利用涡声理论建立了尾迹涡发声模型，并借助时域边界元方法实现了对平板表面和管道内壁面的反射以及管道进/出口声透射作用的模拟；最后，通过反馈声质点速度的引入，完成了模型封闭，实现了流场和声场之间的实时耦合求解，较好的获得了声共振状态下流场和声场分布情况。本文模型有效的捕捉到了声共振发生时，涡脱落频率随来流速度的变化而出现的频率“锁定”现象，以及声压幅值的突跃性变化，预测结果与前人的实验数据具有良好的一致性。借助该模型，本文还探讨了反馈声波在声共振现象形成过程中起到关键作用的原因。
（2）压气机级间径向声共振
本文将压气机叶片排级间腔体考虑成内部带声衬的Helmholtz腔体，通过不同参数的声衬模拟叶片排的声波透射作用。首先使用离散涡模型，模拟了叶尖处的分离流动对腔体的激励作用，然后借助一维管道声传播模型得到了考虑内部声衬影响的腔体辐射声阻抗的时域表达式，从而实现了腔体内部声压的求解。借助该模型，研究了声衬的不同声波透射系数对腔体声共振的幅值、频率以及开口处流动状态的影响规律，并通过原理性实验验证了理论模型的正确性，理论预测结果与实验数据具有良好的一致性。