冠状喷口抑制涡扇发动机喷流噪声试验和数值研究

 以揭示发动机喷流噪声声场分布和冠状喷口抑制喷流噪声为目的,对涡扇发动机排气噪声声场和喷流流场进行了试验和数值计算,对比分析不同结构的冠状锯齿对喷流噪声的综合抑制效果。结果表明:采用大涡模拟(LES)、FW-H (Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换的方法,可以预测出喷流噪声的空间分布和声压级值;冠状锯齿产生的阵列流向涡是强化流体间混合、降低喷流速度峰值、抑制喷流噪声的根本所在;在本文研究参数范围内,冠状锯齿结构不仅将排气喷流噪声由原型排气系统的159.6 dB降低到154.3 dB,而且冠状锯齿给喷管带来的损失控制在1.7%以内。锯齿冠状结构对分开排气式大涵道比涡扇排气系统喷流噪声有抑制作用。     

分开排气式喷管喷流噪声预测及试验研究

为揭示涡扇发动机分开排气式喷管喷流噪声的频谱分布和指向特性,对喷管缩比模型远声场喷流噪声进行了预测及试验研究,并开展了全尺寸喷管基准型及锯齿型喷流噪声的预测工作。结果表明:采用Tam & Auriault方法可以预测出喷流噪声的声压级值和空间指向分布,喷流噪声具有明显的指向性。与基准型喷管相比,锯齿型喷管具有良好的降噪效果;内外涵锯齿型喷管在中低频段的降噪效果优于内涵锯齿型喷管,在高频段的降噪效果差于内涵锯齿型喷管;在本文研究参数范围内,指向角小于88°时内外涵锯齿型喷管总声压级(OASPL)值高于内涵锯齿型喷管。     

分开式排气系统气动性能与喷流特性数值研究

为分析大涵道比涡扇发动机分开式排气系统的气动性能、喷流特性以及挂架支板对排气系统性能的影响,采用数值模拟方法对2种结构形式的分开式排气系统流场进行了2维和3维计算研究。结果表明:挂架支板主要影响外涵流动,对外涵流量、总压损失等系数的影响随外涵落压比非线性变化,外涵进入临界状态后挂架支板造成的总压损失趋于不变,挂架支板对内涵流动的影响几乎不随外涵落压比而变化;外涵喷流主要通过内涵出口处剪切层影响内涵的流动,且其影响方式与喷管结构相关;喷管内涵气动性能不仅受外涵喷流特性影响,也与自身工况相关。     

大涵道比涡扇发动机喷流降噪实验

对大涵道比分开排气喷管的缩比模型进行了吹风实验,模拟了双涵道喷流在加热条件下的远场噪声特性,分析了4种不同几何参数的锯齿构型对喷流噪声的影响。结果表明:喷流噪声以大尺度涡产生的低频噪声为主导,主要贡献方向为下游150°附近;锯齿喷管可以有效抑制低频部分及下游方向的噪声,最高可降低峰值声压级(SPL)约6 dB;锯齿的切入程度可以显著的影响降噪量,4种锯齿构型中切入程度高的外涵锯齿构型降噪效果最优,总声压级(OASPL)最高可降低3 dB;内涵锯齿构型的降噪效果比外涵锯齿低,总声压级最高降噪量在1 dB以内;内外涵锯齿构型可以在外涵锯齿的基础上进一步抑制低频噪声,下游方向总声压级最高降噪量为17 dB。     

两种涡扇发动机排气系统红外辐射特性的比较

针对弹用涡扇发动机，计算和比较了3μm-5μm波段轴对称分开排气喷管和轴对称混合排气喷管的红外辐射特性，并与模型实验的结果进行了比较。结果表明，两种类型的排气喷管在红外辐射的空间分布和光谱分布特性方面具有相似的特征，但是红外辐射强度的数值有较大差别；内、外涵混合排气，可以显著降低喷管空腔、尾喷流和整个排气系统的红外辐射。     

涡扇发动机收敛排气系统进口总温总压对喷流中心线温度分布影响

为了在涡扇发动机总体设计阶段,建立红外辐射特征预测模型,通过计算流体动力学方法研究涡扇发动机排气系统进口总温总压对其喷流无量纲温度分布规律的影响,得到适合涡扇发动机总体设计阶段使用的计算喷流中心线上温度分布的经验公式.结果表明:喷流中心线上相同无量纲温度对应的无量纲距离与涡扇发动机排气系统内外涵进口总压、外涵总温成正比与内涵总温成反比.总结出的涡扇发动机喷流中心线上温度分布的计算经验公式与数值计算结果吻合较好.      

V形槽喷管在分开式排气系统中的降噪实验

利用位于全消声室中的喷流噪声实验台研究了V形槽喷管在分开式排气系统中的降噪特性,比较了在剪切速度比为0.92工况下V形槽喷管的结构参数以及分布方式在冷喷流中对降噪效果的影响.结果表明:V形槽喷管降低了低频段的喷流噪声并增大高频段的喷流噪声;在喷管的下游方向有最好的低频段降噪效果,并具有最小的高频段喷流噪声增加量;增大V形槽喷管切入角可以增加低频段的降噪量,其降噪量最高为5dB;仅在外涵添加V形槽喷管可以增大低频段的降噪量并抑制高频段的喷流噪声的增加;V形槽喷管齿数的变化对降噪效果有一定的影响,但其影响远小于切入角的变化对降噪效果的影响;另外V形槽喷管可以显著地降低喷管下游方向的声压级大小.      

分开式与混合式排气喷管气动特性对比研究

通过内外流场的3维数值模拟,考察多种结构形式的V形齿和波瓣混合器分别对分开式和混合式排气喷管气动特性的影响,此外,比较了涵道比为7一级的分开式和混合式2种喷管在起飞和巡航状态下的推力性能,以期为大涵道比涡扇发动机排气系统的方案选择和气动设计提供参考和指导.计算结果表明：内外交错型V形尾缘十分显著地加强了分开排气喷管尾喷流的掺混,并且造成的推力损失不大;内窄外宽型尾缘的波瓣混合器有利于混合排气喷管气动性能的提高;在7一级的涵道比下,混合排气喷管的推力性能要优于分开排气喷管的.     

大涵道比涡扇发动机分开式排气系统设计参数影响研究

为了分析外涵可用压比、内外涵出口面积以及核心外罩长度四个参数对大涵道比涡扇发动机分开式排气系统气动性能的影响,以该排气系统为原型采用数值模拟的方法对其性能进行研究。结果表明：存在一个最佳外涵可用压比使推力系数最大,但此时外涵处于欠膨胀状态,其设计规律与单喷管设计不同;存在一个使得推力系数最大的最佳喷管出口面积,此时喷管处于微弱的过膨胀状态,这主要与核心外罩／尾锥上的压强分布有关;核心外罩长度对排气系统性能存在一定程度的影响。     

轴对称分开排气喷管改混合排气喷管设计方法

为将涡扇发动机轴对称分开排气喷管改型设计为混合排气喷管以获取混合推力增益且改变其红外辐射(IR)特征，提出了一套基于CFD数值计算评估的轴对称分开排气喷管改型设计方法。研究结果包括:①提出了内、外涵气流不同程度掺混时推力的估算方法，估算值与真实值的误差在所研究参数范围内不超过0.005；②分析了内、外涵气流掺混对改型设计的影响，喷管外涵气流与内涵气流的总压比在0.8~1.5之间且掺混度大于0.1时混合排气最有可能产生推力增益，且掺混越好，增益越高；③轴对称分开排气喷管改型设计为带环形混合器的混合排气喷管后，推力系数增加0.0087~0.0126，而采用波瓣混合器时喷管的推力系数则增加0.0289；④相比于分开排气，混合排气喷管在0°~15°方向上的红外辐射强度有所增加，但在其他所有方位角上均大幅下降，最大降幅为77.5%。      

内插管扩张室消声器的试验研究及其在航空发动机试车台上的应用

试车台排气噪声强，达标治理难度大，把研制的内插管扩张室消声器应用到试车台排气塔上，具有降噪效果显，性能稳定，流阻小，耐温性好，不产生二次污染和造价低的优点。现已建成8座内插管扩张室消声装置，其中A109排气塔顶最高噪声级为77dB(A)，总的降噪能力在70dB以上，为国内大型发动机试车台的消声工程全面达到工业噪声控制和环保标准提供了实例。     

缩比发动机喷嘴热喷流噪声试验

为深入了解涡扇发动机喷流噪声特性,验证喷流噪声降噪方法,建立发动机喷流噪声数据库,在法国国家航天航空研究中心的CEPRA19声学风洞开展了缩比发动机喷嘴热喷流噪声试验测试工作。针对发动机热喷流模拟系统,设计加工了面积比（外涵喷嘴面积与内涵喷嘴面积之比）为5和7的两种喷嘴构型试验模型。通过减小高温区域单个零件长度尺寸和零件壁厚的方法,降低热膨胀对模型尺寸的影响。在声学风洞中完成了不同工况条件下两种面积比圆形喷嘴和锯齿形喷嘴的远场噪声特性测试。通过对远场测量噪声频谱进行分析,发现随着来流速度的增大喷流噪声会减小,采用锯齿形喷嘴设计在中低频喷流噪声水平降低,在高频噪声水平有所增加。     

导流槽构型对火箭起飞时流场和声场的影响

为了研究四喷管运载火箭起飞时火箭周围噪声环境问题,建立燃气/空气双组分的可压缩流动模型,采用2阶Roe格式、SAS(scale-adaptive simulation)湍流模型和声学类比积分法Ffowcs-Williams Hawkings(FW-H)求解三维Navier-Stokes方程。以单机火箭的噪声问题为对象开展数值模拟,并将噪声数值计算结果与试验数据对比,误差在3dB以内(相对误差小于1.6%),验证预测噪声方法的有效性,进而研究四喷管运载火箭起飞阶段采用不同导流槽构型对箭体舱段区域噪声环境的影响,结果表明:在相同噪声接收点处,单侧导流槽对应的总声压级比双侧导流槽大,两者的总声压级(OASPL)之差最大为10.7dB。另外,当采用单侧导流槽时,沿周向接收点的噪声总声压相对单侧导流槽中心截面呈对称分布,而且沿导流出口方向逐渐增大。所建立的噪声数值方法为大推力捆绑运载火箭舱段的噪声环境预测及其控制提供一定参考。     

变循环发动机建模技术研究

在对变循环发动机总体结构进行分析的基础上,参考双轴涡扇发动机部件模型的建立方法,建立了变循环发动机部件级数学模型.建立了区分叶根特性和叶尖特性的风扇部件模型,单外涵和双外涵模式的核心驱动风扇级数学模型.根据变循环发动机的特点,建立了反映变几何部件变化的稳态和动态共同工作方程.数字仿真结果表明:所建的变循环发动机模型能够实现工作模式之间的相互转换,并且在低空低马赫数双外涵模式下表现出了涡扇发动机特性,即高推力与低耗油率,而在高空高马赫数单外涵模式下相比涡扇模式提供的推力更大、耗油率更低,符合变循环发动机特点,验证了建模方法的可行性.      

旁路放气循环高速单轴涡喷发动机安装性能模拟

针对Ma3.5旁路放气循环单轴涡喷发动机,提出一种压气机旁路放气计算方法,建立基于进/排气系统特性数据库的涡轮发动机安装性能计算模型,分析压气机旁路放气对压气机共同工作线和发动机高空高速推力性能的影响,给出压气机旁路放气量的调节原则,计算发动机安装性能、进/排气安装阻力沿飞行轨迹的变化规律。计算结果表明:当飞行马赫数大于2.3后需打开压气机旁路放气,旁路放气阀门面积和放气流量均随着飞行马赫数的增大基本呈线性增大趋势;通过压气机旁路放气,可显著改善单轴涡喷发动机在高空高速飞行条件下的稳定性和安装推力性能,在飞行马赫数3.0附近,可实现安装推力提高30%以上;在跨声速至飞行马赫数2.0区间内,推力安装损失最大,约为非安装推力的25%～30%。     

波瓣混合器喷流降噪技术实验

在消声室内的喷流噪声实验台上,对大涵道比涡扇发动机混合式排气系统缩比模型进行了冷喷流噪声实验,以环形混合器为基准,研究了采用波瓣混合器的喷管喷流远声场频谱特性和降噪效果.研究结果表明:与采用环形混合器的基准型喷管相比,波瓣混合器喷管在低频段有很好的降噪效果但高频段的声压级有所升高,波瓣混合器喷管下游方向(θ=150°)的总声压级明显降低而中游方向和上游方向的总声压级升高.随着波瓣混合器出口处内外涵气流速度差的增大,波瓣混合器喷管低频段的降噪效果越来越明显但高频段声压级的升高也会不同程度地增大,在波瓣混合器喷管下游方向(θ=150°)的总声压级降低更加明显的同时中游方向和上游方向的总声压级也有所升高.      

空气喷气发动机试车台排气扩压器设计及试验研究

排气扩压器的作用是将发动机排出燃气的部分动能转换成压力能，真实模拟发动机排气反应和环境压力条件。它是高空台排气系统将被试发动机的高温高速燃气进行减速、降温、降低噪声，从而使燃气顺利地进入引射器（排气抽气设备）或排入大气的关键部件之一。排气扩压器的设计与被试发动机的合理配置至关重要。它与高空台的模拟高度、工作范围及节约能源等问题直接相关。所以必须综合考虑排气扩压器的设计问题。