题目：包含平均旋流的管道声传播特性研究

目前大涵道比涡扇发动机后短舱由于风扇/转子的旋转必然会产生旋流，转子和静子之间的旋流甚至会达到同轴向流动同量级。但由于包含旋流时计算模型复杂，并受计算条件限制，旋流对声传播特性的影响最近才受到重视，现有的发动机消声短舱声衬设计理论模型并没有考虑旋流影响。基于以上原因，本文发展了包含平均旋流影响的管道声传播模型，并尝试将其应用到实际发动机短舱消声设计中。本文首先通过采用配置法求解三维线化欧拉方程的特征值问题来研究无限长管道内平均旋流对声传播特性的影响。发现平均旋流会耦合声波、涡波和熵波，产生(近)声模态，近对流模态和纯对流模态三类模态，改变声传播截止特性，影响声衬吸声效果等。接下来，在上面模态分析和均匀轴流模态匹配模型的基础上，本文首次将模态匹配方法应用于包含旋流的管道声传播计算中，建立了计算包含平均旋流并敷设有限长声衬的管道声传播的传统模态匹配模型(在管道阻抗间断面处采用声压和轴向声质点速度连续匹配)和守恒形式的模态匹配模型(在阻抗间断面处采用基于原始的连续方程、轴向动量方程和壁面阻抗边界条件的加权积分形式的匹配条件)，分析平均旋流和声衬结构等参数对声衬吸声效果的影响。两种模型的主要差别在于轴向流动存在时阻抗间断面处的压力前者是连续的，而后者不连续，但两者声衬插入损失结果符合的很好，原因是守恒形式的模态匹配模型只改变反射模态系数。另外，本文还给出了包含旋流的轴向声强和声能密度的模态表达式，分析了不同平均旋流条件下各径向模态之间的正交性变化。为校核模态匹配模型的正确性和进一步计算复杂问题需要，本文又采用模态分析结果构造管道进出口无反射边界条件，探索性地将有限元方法直接应用于求解包含平均旋流的线化欧拉方程进行管道声传播计算，并得到了与模态匹配模型相吻合的结果，同时分析了声场分布随频率和周向模态数的变化规律。最后，将本文发展的包含旋流的模态匹配模型与声阻抗模型相结合进行低速风扇实验台前后短舱声衬设计。设计结果显示后短舱是否考虑旋流情况下声衬优化结果的差别，证明了在进行后短舱消声设计时考虑旋流的必要性，为今后进一步改进发动机后短舱消声设计提供了可能。