用于设计气动声学超材料的集成工具链：使用超材料的先进飞机降噪装置研制项目

Umberto Iemma

Università degli Studi Roma Tre，Dipartimentodi Ingegneria

原文：An integrated toolchain for the design ofaeroacoustic metamaterials: the H2020 project AERIALIST

来源：interNoise 2021

导读

由欧盟H2020 计划（“地平线2020”科研与创新框架计划）的突破性创新主题资助的 AERIALIST（使用超材料的先进飞机降噪装置研究）项目已于2020年5月结题验收。该项目的目标是揭示超材料在开发用于缓解飞机噪音的突破性装置方面的潜力，以便有助于确定旨在实现ACARE Flightpath 2050（欧洲航空研究咨询委员会，航迹2050规划）预计的降噪目标的突破性技术。虽然目标是低TRL（技术成熟度等级），但AERIALIST项目一直专注于开发集成工具链能够解决整个设计循环，从早期概念到概念的数值和实验证明，再到最终设计和制造。该工具链建立在四大支柱之上：1）声学超材料理论向气动声学的扩展；2）开发最新的增材制造技术；3）所选概念的风洞评估；4）确定实现更高TRL的发展路线图。经过三年的活动，该项目已达到所有目标。本文回顾了该项目的主要成果、它们的应用潜力以及与ACARE目标的相关性。

介绍

本论文总结了2017年6月1日启动并于2020年5月31日正式结题的AERIALIST项目的活动和成果。AERIALIST是针对主题MG-1.4-2016-2017 —— 突破性创新而构思的，其雄心勃勃的目标是将声学超材料的概念引入气动声学领域，并开发模型和方法，能够揭示其在所有这些应用中的潜力，其中与空气动力流的相互作用在声音的产生和传播中起着关键作用。采用广泛的多学科方法已解决了这一具有挑战性的目标，涵盖了开发具有非常规响应的合成材料以及利用其特性设计创新装置所涉及的所有方面。该项目活动由五所大学组成的小型财团执行：意大利罗马特雷大学（IT，项目协调）、巴斯大学（英国）、都柏林三一学院（IE）、皇家理工学院（SE）、布里斯托大学（英国）。

尽管该研究团队纯粹是学术性质，并且目标TRL较低，但确定未来工业开发的路线图已被视为该项目的主要目标。该财团得到了来自工业和研究机构的外部领先专家委员会的支持，并致力于评估所开发概念的技术可行性。在三年的活动中，该项目实现了所有技术目标，为揭示超材料在航空声学领域的潜力做出了具体贡献，并使其应用于解决具体航空工程问题成为可能。事实上，使这一目标特别具有挑战性的理论和技术问题可以总结为以下几点：1）源和散射体彼此靠近并共同移动。在项目构想时，最初的MM理论仅限于静止和平面波前的源和媒介。这两个假设都限制了航空应用对降低舱内噪音的适用性，妨碍了MM在通用降噪方面的巨大潜力的开发。2）非常规本构方程使得大多数气动声学中使用的经典数值方法不适用。数学模型和数值方法必须适应具有非常规结构的方程，以便开发可靠的设计工具。3）必须不惜一切代价满足航空应用典型的严格工程限制。具体而言，必须保持飞机所有部件的空气动力学性能，必须使重量损失最小，并且不得以任何方式影响安全性和可靠性。应对这一挑战的AERIALIST战略是从项目早期准备开始的，它是一种跨学科的方法，整合了突破性降噪设备开发中所涉及的所有技术领域。除此之外，一个工作包专门用于确定发展路线图，以将分析概念的技术准备程度提高到工业应用水平，并有助于快速有效地利用项目成果。AERIALIST为实现其主要目标而采用的方法基于以下五个方面：

1. 巩固气动声学环境中的超材料和超连续体理论，并开发合适的数值工具进行模拟。

2. 开发和评估基于超材料的设备高效增材制造方法。

3. 对制造的气动声学风洞装置进行实验分析。

4. 建立和评估设计工具链的完整循环，从建模和仿真开始，其次是超材料设备的设计、制造和实验评估。

5. 提供与工业相关的TRL发展路线图。

这些操作已被实施到特定的工作包中，在整个项目期间密切交互，最终实现一个完整的设计工具链，涵盖从概念到制造和测试的整个过程（见图 1）。所采用的方法在三年的活动中显示出其有效性，最终实现了所有项目的目标，并开启了与其他H2020和“清洁天空”项目的富有成效的知识和技术转让。 

图1：AERIALIST设计循环示意图说明

成果总结

项目期间获得的成果涵盖了所涉及的整个学科与概念。本部分展现的是主要成就的评论目录，感兴趣的读者可以阅读AERIALIST合作伙伴制作的文献。

工作包 2 - 理论和数值建模

工作包2致力于开发能够解决由非常规本构方程控制的创新材料的模拟和设计的理论模型和数值方案。获得的结果可以根据气动声学Metacontinua建模、边界阻抗建模、各向异性逆方法均质材料模型、热粘性损耗建模等研究子项进行分类。

 图2：泰勒校正对M = 0:35时圆柱形装置的隐身效率的影响。 

图3：马赫数对阻抗方位角分布的影响(f=540Hz)

 图4：用于非局部测试用例集成的两个活塞区域模型的BEM离散化

图5：逆算法大纲 (a) AERIALIST中考虑的标准开尔文单元的一些变化(b) 等距、等距拉伸、扭曲和拉伸、扭曲和倾斜。

 图6：温度变化(K)晶胞和(b)速度(m/s)晶胞的轴向分量，在f=500 Hz时来自Denorm晶胞的热粘性模型。亥姆霍兹模型与降阶建模损失和全粘热模拟之间的比较。

工作包 3 – 设计与制造

项目期间进行了大量努力，以确定每类超材料的最佳设计和制造流程。该活动是使用最先进的设备（见图 7）进行的，特别注意制造不确定性对样品最终特性的影响（例如，见 [10] [11] [12] [13] [14]）。

图7：AERIALIST项目中采用的3D打印机。DLP (a)，SLM (b)，SLA (c)和FDM (d)

图8：在工作包3中构建的Denorms晶胞(a)、开尔文晶胞(b)、Metaliner(c)和基于GSL的超表面的样本(d)。(a)和(b)使用SLM制造，(c)使用激光切割制造，(d)使用FDM。

 图9：风洞实验：低频。空间盘绕MS在1400Hz

工作包 4 – 风洞实验

工作包4是在布里斯托大学的气动声学风洞中对所制造的样品进行实验评估。设计并建造了两个实验台来模拟实际应用中感兴趣的构型：开放空间平板和矩形管道。对选定的概念进行了两次广泛的测试，确认了超材料设备在所有分析配置中的响应。获得的结果的几个例子显示在图9和图10中。

工作包5 -工具链评估和发展路线图

该项目第五个工作包的目标是双重的。一方面，对该项主题的文献进行了持续研究，以使项目目标与最新进展保持一致。同时，项目的整个循环，从概念化到实验验证，都针对选定的概念和构型进行了评估。该活动的最终目标是定义技术路线图，以促进将所分析设备的TRL提高到具有工业相关性的价值。图11描述了相位-梯度超表面概念的工具链循环。

图10：平板风洞实验：1400Hz低频亥姆霍兹MS

图11：超表面的工具链循环评估示意图

目前的工作和结论

该项目的成果极大地揭示了超材料在航空应用中的潜力。该项研究工作已记录在同行评审期刊上发表的15篇论文、国际会议和科学研讨会的27篇论文中。此外，参与的所有研究人员还为硕士和博士生举办了几次科学研讨会。

该主题的研究并未随着项目的结题而结束，目前正在沿着所有行动路线进行。大多数已开发的概念目前正应用于正在进行的活动框架内更接近现实世界条件的特定问题。其中，值得一提的是目前在H2020项目ARTEM（飞机降噪技术和相关环境影响）中进行的工作，其中相位- 梯度超表面概念正在适应现实的机舱几何形状和操作条件。初步结果显示在图12中，其中给出了基准短舱几何结构进口周围的声压级。

图12：短舱入口周围的声压级。左侧为无衬里风道，右侧为优化的金属衬里

参考文献

[1] Umberto Iemma and Giorgio Palma. Designof metacontinua in the aeroacoustic spacetime. Scientific Reports, 10(1):18192, Oct 2020.

[2] Giorgio Palma and Lorenzo Burghignoli.On the integration of acoustic phase-gradient metasurfaces in aeronautics. InternationalJournal of Aeroacoustics, 19(6-8):294–309, 2020.

[3] Umberto Iemma and Giorgio Palma.Convective correction of metafluid devices based on taylor transformation.Journal of Sound and Vibration, 443:238 – 252, 2019.

[4] Michael Carley. Closed-form evaluationof potential integrals in the boundary element method.Journal of Theoreticaland Computational Acoustics, 2019.

[5] Imran Bashir and Michael Carley.Development of 3d boundary element method for the simulation of acousticmetamaterials/metasurfaces in mean flow for aerospace applications. International Journal of Aeroacoustics,19(6-8):324–346, 2020.

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[9] John Kennedy, Luke Dowling, JaswinderSingh Saini, Daniel Trimble, Henry Rice, Huina Mao, and Peter and Göransson. Theoretical andexperimental validation of an acoustic metamaterial produced through additive manufacturing. InDENORMS Action’s third Workshop on Dedicated manufacturing and experimental techniquesfor acoustic metamaterials and acoustic treatments,5-7 February, Leuven, 2018.

[10] L. Dowling, H. Mao, L. Flanagan, J.Kennedy, J. Cuenca, H. Rice, D. Trimble, and P. Göransson.A combined design-manufacturing-testinginvestigation of micro- to macro-scale tailoring of open poroelastic materials based onperturbed kelvin cell micro-geometries. Proceedings of ISMA 2018 - International Conference onNoise and Vibration Engineering and USD 2018 - International Conference on Uncertainty inStructural Dynamics, pages 1163–1177, 2018.

[11] John Kennedy, Lara Flanagan, LukeDowling, G. J. Bennett, Henry Rice, and Daniel Trimble.The influence of additive manufacturingprocesses on the performance of a periodic acoustic metamaterial. International Journal ofPolymer Science, 2019:7029143, 2019.

[12] L. Dowling, J. Kennedy, S.O’Shaughnessy, and D. Trimble. A review of critical repeatability and reproducibility issues in powder bedfusion. Materials & Design, 186:108346, 2020.

[13] H. Mao and Göransson P. Modelling and3d printing kelvin cell acoustic metamaterial. In the 9^th InternationalConference on Multiscale Materials Modelling, 28 October - 2 November, Osaka,Japan., 2018.

[14] H. Mao, L. Dowling, J. Kennedy, H.Rice, and P. Göransson. Design manufacture and test of acoustic metamaterials for noisereduction applications by inverse estimation method. In European Congress and exhibition onAdvanced Materials and Processes EUROMAT 2019, 1-5 September, Stockohlm, Sweden, 2019.

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