基于流场/声场混合模型的叶轮机械单音噪声研究

基于叶轮机械三维非定常黏性数值模拟(URANS)与管道内叶片排气动噪声声类比理论(DBAA),成功地发展了叶轮机械单音噪声混合预测模型(URANS/DBAA),该模型能够实现叶轮机械叶片详细设计参数与噪声辐射强度的关联。由于采用了Lighthill声类比理论,使得该模型并不需要耗费大量计算资源。基于URANS/DBAA混合模型,对某单级轴流风扇的单音噪声及其噪声源分布特性进行了详细的计算分析,结果表明,该混合模型能够准确模拟叶轮机械单音噪声,实现了对叶轮机械单音噪声基本规律的分析和认识。     

基于URANS/TPP模型的风扇转静干涉单音噪声预测

为了解决风扇噪声三维高精度评估问题，基于非定常雷诺平均数值模拟（Unsteady Reynolds Average Numerical Simulation, URANS）模型和三平面压力（Triple Plane Pressure, TPP）模态匹配模型，发展了风扇转静干涉单音噪声数值预测方法。分析了URANS模型管道内单音计算的可行性，并建立了误差控制准则。在此基础上，采用URANS模型获得风扇非定常流场，同时基于TPP方法进行声源提取，得到管道内单音噪声的模态特性。基于国产某型大涵道比缩尺风扇试验数据，对模型准确性进行对比验证。结果表明，该模型能够进行转静干涉噪声的可靠预测。此外，进行了基于弯掠静子的低噪声叶片设计，并采用提出的数值模型分析了三维流场/声场，探究了基于叶型设计的转静干涉声源抑制机理，实现了对风扇低噪声设计的支撑。     

单级风扇声模态相关性研究及其影响

航空发动机轮毂比的增加使得处于“截通”状态的管道声模态数目急剧增加,为了提高风扇管道宽频噪声模态识别及分解技术的准确性,就需要对管道声模态相关性进行分析研究。本文以一台单级低速轴流风扇实验台为实验对象,研究了单级风扇的模态相关性以及声场相关性。进一步结合参考传声器模态分解法和互相关模态分解法,对比了模态相关性对管道进口声功率级产生的影响。结果表明,管道模态相关性对入射声波影响较小,对反射声波影响较大。因此,在高精度模态分解实验中,有必要考虑到模态相关性,并采用更加合理的模态分解技术。     

倾斜/后掠叶片对风扇单音噪声的控制研究

为探索倾斜/后掠静子叶片对风扇单音噪声的降噪机理并指导低噪声风扇的设计,采用基于三维黏性非定常雷诺平均数值模拟(URANS)和管道声类比理论(Ducted Acoustic Analogy,DAA)的流场/声场混合计算模型(CFD/AA)研究了不同转子叶尖间隙、倾斜静子、后掠静子等对NPU-Fan单音噪声的影响。计算结果表明:随着叶尖间隙增加,在1BPF (Blade Passing Frequency)和2BPF处,风扇前传、后传气动噪声均会增加,且1BPF处单音噪声增量大于其它谐频。在研究倾斜及后掠叶片的降噪机制时,须将管道特征函数与声源的耦合过程包含在内,并且要考虑真实风扇的尾迹特性及其向下游的输运过程。风扇静子负倾斜可以提升风扇的气动效率,但会增加噪声的声功率级;正倾斜叶片能够降低噪声声功率级,但风扇气动性能会有所降低。随着倾斜角的增加,降噪量增大,当倾斜角为+30°时,各谐波阶次的降噪量均超过2.3dB。后掠静子叶片相较于倾斜设计具有更好的气动性能和降噪效果。30°后掠角对于各谐波阶次的前传噪声降噪量均大于6.3dB,降低后传噪声超过10dB。正倾斜及后掠静子的降噪效果与噪声谐波阶次、传播方向紧密相关,谐波阶次越高,降噪效果越明显。倾斜-后掠综合设计方案对于前传噪声拥有最好的降噪效果,其综合了倾斜和后掠两者的优点。     

波浪前缘静子叶片对高速轴流风扇单音噪声的影响

航空发动机压气机噪声与大型风洞压缩机噪声问题日益凸显,相关研究机构迫切需求新的降噪手段以指导大型叶轮机械降噪设计。为了探索波浪前缘静子叶片在大型叶轮机械降噪中的应用前景,采用非定常雷诺平均Navier-Stoke（URANS）方程与FW-H方程混合方法对基准静子叶片和3种波浪前缘静子叶片的降噪效果进行了数值模拟,研究对象静子来流平均马赫数约为0.49,基于静子叶片弦长的雷诺数约为1 040 000。数值预测结果显示：波浪前缘静子叶片可以显著降低高速轴流风扇单音噪声,但会对风扇的气动性能产生少许不利影响;相较于基准静子叶片,3种波浪前缘静子叶片可以在1BPF时降低风扇入口声功率级0.97~1.5 dB,2BPF时降低风扇入口声功率级2.89~4.9 dB,3BPF时降低风扇入口声功率级3.32~4.72 dB;同时,总压比降低0.1%~0.8%,等熵效率降低0.1%~0.3%。进一步研究表明：不同频率下声源振幅和相位关系是风扇单音噪声强度的主要影响因素,总的来说,幅值的增加会降低声源强度,然而通过改变声源相位关系的降噪方式则需要兼顾径向模态与波长两个方面。     

轴流风扇宽频噪声声功率实验研究

航空发动机降噪研究迫切需要一种叶轮机械管道内宽频噪声测量方法来指导降噪设计。为了研究管道内宽频噪声,利用沿管道内壁面布置的环形麦克风阵列对单级轴流风扇进行了噪声测量,通过测量信号与参考信号互相关以及奇异值分解(SVD)方法成功地得到管道内宽频噪声结果。结果表明:该方法不仅可以计算出管道内主要单音,而且可以计算宽广频率范围内的宽频噪声;并能有效分辨出管道内向前和向后传播的声功率。宽频噪声结果证实该方法可以应用到高背景噪声和硬壁反射下的管道内声场研究。     

基于组合传声器阵列方法的风扇宽频噪声

针对叶轮机械管道内宽频噪声模态分解以及声功率测量,基于组合传声器阵列方法对风扇管道宽频噪声进行了研究。与当前的成熟测量方法相比,该方法最大的优势是所需声压测点的个数大大减少,仅需要安装由单独一圈传声器和一排轴向传声器组成的麦克风阵列,这种优势在中高频管道宽频噪声测量上尤为突出。针对该方法的有效性和准确性进行了数值研究,并首次试验验证了该方法的精确性。在数值模拟中,人工模拟的声场是由几圈不相干的单极子声源激发产生的,模拟结果表明宽频噪声模态相干特性严重依赖于单极子声源的个数以及其紧凑性。当频率段内的管道模态近似完全不相干时,该方法可以准确地计算出入射声波的宽频噪声声功率,最大误差小于3dB。在风扇管道宽频噪声声功率计算方面,该方法与现有的成熟方法符合得很好,在入射声波的估计上,最大误差小于1dB,而在反射声波的测量上最大误差小于3dB。     

轴流风扇动/静干涉噪声抑制的数值模拟与实验研究

动/静干涉噪声是风扇单音噪声的重要组成部分,?本文采用数值模拟与实验相结合的方式对某轴流冷却风扇转子与下游支柱之间干涉噪声的抑制进行了研究.数值计算采用大涡模拟(LES)与FW-H方程相结合的混合方法,噪声实验在全消声室中利用远场麦克风测量.通过改变支柱迎风面宽度(H)和壁面开槽(对应不同穿孔率SP)两种方式来改变风扇模型的流动工况,分析不同控制策略对风扇气流流动和远场噪声特性的影响.结果表明,在下游支柱的干扰作用下,轴流风扇压力面的平均静压在叶片中部呈现周期性的分布.随着支柱迎风面宽度H的减小和壁面槽穿孔率SP的增大,支柱上的平均静压和风扇压力面的RMS压力逐渐降低.两种控制策略均能够有效减弱涡及其涡/固干扰强度,从而降低风扇噪声.数值模拟与实验结果吻合较好,显示风扇叶片通过频率BPF处的最大降噪量在所研究的流动配置下可以达到5?dB以上.     

改进的多级涡轮噪声经验预测模型

基于早期的涡轮噪声经验预测模型和涡轮噪声试验数据,对影响涡轮噪声的关键涡轮参数进行了分析,发展了改进的多级涡轮噪声经验预测模型.该模型由单级涡轮噪声计算、涡轮噪声在下游涡轮级中传播的衰减量计算和各级涡轮噪声叠加3个部分组成.采用涡轮噪声试验数据对单级涡轮噪声计算方法进行了验证.结果表明:该单级涡轮噪声计算方法的计算结果误差小于1.5dB.由试验数据拟合得到的涡轮噪声叶片排衰减经验预测模型也被应用于该改进的多级涡轮噪声经验预测模型中.与早期经验预测模型相比,改进模型的计算方法更合理,噪声预测结果更可靠.      

转子叶栅非同步振荡发声特性研究

轴流压气机转子叶片排振荡疲劳失效是常见的气动弹性失稳问题。当转子叶栅处于非同步振荡状态下时,压气机管道内部将伴随着异常噪声的产生,这类噪声的频率既不是分布在叶片通过频率及其谐波上,也不是分布在转子轴频率及其谐波上,同时也不满足简单多普勒效应。为了解释这种异常噪声现象,以三维升力面理论为基础,讨论叶片对其附近流体施加非定常载荷的发声问题,给出了转子叶栅振荡异常发声问题的物理解释,建立了声场频率及模态特性与转子声源特性的直接关系式,并给出了频率特性不同于叶片通过频率且不符合简单多普勒效应的完整解释。在此基础上,通过机理性实验研究证实了该模型的正确性。实验结果表明,理论预测声场的频率和周向模态特性与实验结果完全一致。     

Investigation of rotor–stator interaction broadband noise using a RANS-informed analytical method

A Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS)-information analytical method for predicting Rotor-Stator Interaction (RSI) broadband noise is established in this paper. First, the turbulence information is deduced from RANS simulation result. Then, the unsteady load on the stator blade is calculated using a strip theory approach based on LINearized SUBsonic unsteady flow in cascade (LINSUB) and 2-D equivalence method. In the end, the sound power of RSI broadband noise is calculated by coupling the unsteady load on the stator blade with acoustic analogy and annular duct mode. The broadband noise model part of the RANS-information analytical method is validated against the upstream sound power of an annular cascade experimental bench. Besides, the RANS-information analytical method is used in predicting RSI broadband noise of a single-stage axial fan acoustic experimental bench, the results illustrate that the RANS-information analytical method can accurately predict the RSI broadband noise in different fan working conditions. After simplification the Wave Leading Edge (WLE) stator blade, the effect of WLE stator blade on RSI broadband noise is studies. Although the simplification may bring some discrepancies, the results illustrate that the RANS-information analytical method has the capability for further studies on the broadband noise reduction with WLE stator blade.     

风扇湍流宽频噪声特性的数值计算分析

基于Gliebe发展的风扇自噪声经验预测模型与Mugridge-Morfey发展的湍流-叶片干涉噪声分析预测模型,以GE公司R4风扇为研究对象,详细分析了风扇自噪声与转子尾迹湍流-出口导叶干涉宽频噪声(湍流干涉噪声)的特性.研究了不同的风扇设计参数和湍流参数对风扇自噪声与湍流干涉噪声的影响.计算结果表明:湍流干涉噪声对风扇宽频噪声起着主要作用,湍流干涉噪声比转子自噪声大约6~10dB,比出口导叶自噪声大约20dB.此外,出口导叶来流速度对湍流干涉噪声的影响最大,来流速度增大15%时,声功率可增大4dB左右.湍流强度对湍流干涉噪声影响较大,当湍流强度增加30%时,声功率增大约1.5dB.      

汽车发电机冷却风扇旋转噪声预测方法

以汽车发电机冷却风扇为对象,针对其修改叶片分布角度前后的旋转噪声预测问题,提出一套较精确且节约计算机时的预测方法.该方法结合了声类比法和矢量合成方法,首先,用大涡模拟(LES)和Ffowcs-Williams和Hawkings(FW-H)方程相结合的声类比方法对原风扇总噪声和主要阶次旋转噪声幅值进行预测;然后,针对只改变叶片分布角度情况下,提出一种矢量合成方法,用于对修改叶片分布前后主要阶次旋转噪声变化量的预测;最后,得到修改后主要阶次旋转噪声的幅值.计算和实验结果表明,原风扇总噪声最大预测误差4.3dB,第12阶和第18阶主要阶次旋转噪声幅值预测误差为1.24dB和4.26dB;修改后风扇第12阶和第18阶主要阶次旋转噪声分别变小了9.3dB和10.5dB,其变化量预测误差分别为0.36dB和0.43dB.结果表明,这一整套对修改前后风扇旋转噪声进行预测的方法是可行的,且大大节省计算时间,为风扇叶片周向分布角度设计提供了很好的依据.      

Match-mode method and its numerical simulation for rotor-stator interaction source modes and propagation modes in an annular duct with multi-treatments

Ａｎｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｉｎ－ｄｕｃｔｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｉｎａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｕｐ－ｐｒｅｓｓｉｎｇ...     

分布式波浪前缘静子叶片对单级轴流风扇单音噪声影响的数值研究

为了适应逐年严苛的适航噪声标准，改善飞机噪声环境，突破航空发动机降噪技术的瓶颈，有必要开发新的降噪手段以指导叶轮机械降噪设计。本文采用URANS与FW-H方程混合方法，通过将波浪前缘构型运用在叶片流动损失较大、声源强度较强的部分后，进一步观察其气动性能和降噪效果。研究表明：与基准叶片相比，分布式波浪前缘静子叶片可以在1BPF（Blade Passing Frequency）时降低风扇入口声功率级0.67~1.9dB，2BPF时降低风扇入口声功率级1.87~4.18dB，3BPF时降低风扇入口声功率级2.4~6.8dB，同时，总压比最高提升0.027%，等熵效率最高提升0.28%。因此，分布式波浪前缘静子叶片在叶轮机械降噪方面有很好的运用前景。     

基于旋转轴向阵列的风扇宽频噪声实验

航空发动机降噪研究迫切需要一种叶轮机械管道内宽频噪声测量方法来指导降噪设计。本文通过对阵列测量的声压信号进行互相关分析,得到管道内顺流和逆流传播的模态声功率结果。安装在风扇实验台进口段的传声器阵列由2排周向间隔180°的轴向阵列组成,每排阵列有14个等间距的传声器。阵列安装在可周向旋转的测量段上,实验中测量段每隔6°旋转一次,共获得840个测点位置的声场信号。结果表明入射波与反射波最大可相差10dB。模态分解结果表明,转静干涉模态是转子通过频率及其谐频处的主导模态。利用不同参考信号计算出的声场结果相同,说明该实验测试方法对参考信号位置没有特殊要求,进一步说明该方法有很好的适用性。     

声学引导风洞高效低噪声风扇设计

运用任意涡风扇设计方法,进行声学引导风洞高效低噪声风扇设计。在设计过程中,通过调整叶片径向旋转系数分布优化叶片出口速度分布,通过合理匹配转子、定子数目及定子后掠角度来改善动静叶的干涉噪声。气动及声学性能试验表明,高效低噪声风扇设计点气动效率达到83.9%,相比引导风洞原风扇效率的73%有了明显的提高;高效低噪声风扇入口及出口噪声分别比原风扇入口及出口噪声低3dB（A）和2dB（A）。试验结果成功验证了任意涡设计方法在风扇气动及声学性能上的优越性。