声学风洞风扇段流场结构数值模拟

采用数值模拟方法对0.55m×0.4m低湍流度航空声学风洞风扇段的流场特性进行了研究,并将计算结果与试验数据进行了对比,可以看到,本文采用的方法能对风扇段性能进行较为准确的模拟;随后根据叶片的流动现象,分析了动叶和静叶的性能表现,了解了风扇段内部的工作性态。最后给出了不同动静叶间距、不同静叶后掠角、不同静叶倾斜角对风扇性能、流动性态的影响,并根据流场结构分析了降噪机理。数值结果表明,采用静叶后掠和倾斜,并适当增大动静叶间距,可以在不影响风扇性能的情况下有效抑制噪声。同时,静叶后掠和倾斜还能有效增加风扇段出口速度的均匀性,特别是切向速度。     

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。     

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。     

计算流体力学在气动-声学风洞设计中的应用

传统的气动-声学风洞设计一般参考现有风洞设计经验和沿用工程估算方法,风洞各主要部件的设计依据均来自前人大量实验的归纳统计结果.本文使用计算流体力学方法(CFD)对气动-声学模型风洞流场进行模拟,得到最大喷口速度下,流道各部件压力损失系数和关键截面的流场分布.结合模型风洞实验结果,比较了某一速度工况下,实验段轴向静压系数变化和收集口出口的速度分布.CFD结果与模型风洞实验结果的一致性,表明CFD作为一种新方法,能够应用于气动-声学风洞设计中.     

叶片弯掠对多级风扇气动性能的影响

利用数值模拟的方法,研究了多级环境中叶片弯掠对风扇整体气动性能的影响。研究过程将弯、掠叶片分别应用于某三级风扇的第二、三级静叶,以对比性能变化并研究其内在的流场作用机制。结果表明,多级环境中弯掠叶片排可通过改变沿径向密流分布对其它叶排施加影响;弯和掠都能借助低能流体迁移控制端壁流动,但掠叶片同时具有对主流的迁移作用,这就使得掠叶片对沿径向密流分布的影响要大于弯叶片;随转速下降,弯叶片的流体迁移作用被增强,掠则相反。此外发现,在多级环境中单独使用时可获得性能改善的弯掠叶片,组合应用后并未获得双重的性能收益。     

弯叶片对畸变条件下风扇性能影响研究

以跨声速风扇为研究对象,采用全周三维非定常数值模拟方法研究静叶根部20°正弯对总压畸变条件下风扇性能和流场结构的影响.通过对设计转速下风扇全工况进行求解,对比分析了静叶采用直叶片和弯叶片时设计点和近失速点的风扇性能和流场结构.通过与均匀进口条件的风扇性能对比,探讨弯叶片对风扇效率、稳定边界以及抗畸变能力的影响,重点研究弯叶片对动静叶流动损失的影响以及对级性能的影响和改善机理.研究表明,均匀进口时,根部20°正弯静叶可以改善风扇在近失速点附近的性能,而在设计点附近,弯叶片的作用不明显;进口总压畸变条件下,静叶根弯20°能有效改善风扇性能,提高稳定性;静叶根弯对流场的影响取决于具体的流场结构,流动状态越恶劣,弯叶片的作用越明显.     

边界层吸入跨声速复合掠型风扇气动性能研究

针对边界层吸入条件下的跨声速风扇设计问题,提出了一种掠型叶片的设计方法,分析了三种前缘掠角分布对风扇气动性能的影响,并在边界层吸入情况下对比了复合掠型风扇和原型风扇的气动性能和流动特征,探讨了叶片通过低压畸变区过程中的流场变化。研究结果表明,均匀来流时复合掠型风扇没有改变原型风扇堵塞流量,但稳定裕度提高了7.1%;边界层吸入20%进口高度时,复合掠型风扇峰值效率比均匀来流时降低了1.8%;比Rotor67风扇能够在更低的流量工况下承受同等的来流参数畸变流场。在叶片通过畸变区域过程中,退出畸变流场时更容易触发旋转失速。     

低速风洞内部流场数值模拟

以上海交通大学在建的多功能低速风洞为研究对象,针对其设计上的独特性,采用CFD方法首次实现对风洞内部流场的整体数值模拟,风扇段流场利用MRF模型处理,数值模拟中计及了阻尼网的整流效果。同经验设计法的气动设计结果进行对比发现,数值模拟得到的流量与设计流量差距很小,压力损失在一定程度上较为吻合。数值模拟揭示了风洞内部存在的流动分离现象,为提高风洞的气动性能提供了改进方向。对风洞同轴度下降引起的流场品质变化进行了分析,结果表明微小同轴度偏差对流场品质的影响不大。     

高负荷风扇静叶气动特性的实验与数值研究

为了掌握高负荷静叶内部流动特征,进而指导静叶改型设计,采用实验和数值模拟相结合的方法,对高负荷风扇末级静子叶栅的气动性能开展研究。为了在级环境下研究静子叶栅的气动性能,在静子叶栅前设计了导叶,提供级中静子叶栅的进口气流参数,分析了不同进口马赫数条件下的静叶气动性能。研究表明:导流叶片可以保证静叶进口气流方向和速度与级内相近,可以用扇形叶栅吹风实验模拟级环境对静叶气动性能开展研究;静叶吸力面存在较大的分离和回流,27%叶高附近分离最大,使该处气流折转最小约42°;静叶3%叶高压力面存在较大的负攻角损失;随着进口马赫数增加,出口气流参数沿径向波动程度明显增加。     

外涵静子后掠对某风扇/增压级气动特性的影响

针对某大涵道比风扇/增压级外涵静子后掠降噪的优化设计目标,采用1种周向平均快速特性预测计算方法和3维数值模拟软件NUMECA,对其100％设计转速下外涵静子无后掠及轴向后掠22.5°和30°算例的特性曲线及流场进行了对比分析,以研究外涵静子轴向后掠对风扇/增压级特性及气动性能的影响规律.结果表明:一定程度的轴向后掠角度会使静子表面静压在叶尖处增强,而根部的叶片表面静压分布更趋均匀,风扇/增压级的外涵气动特性在裕度上无明显恶化;但严重的后掠角度则会导致叶尖叶片表面载荷显著增加,从而造成外涵的喘振裕度减小,进而影响整个风扇/增压级的气动性能.     

风扇出口导向叶片低噪声设计Ⅰ:方法与优化

作为"风扇出口导向叶片（Outlet Guide Vanes，OGV）低噪声设计"系列文章的第1篇，本文在现有压气机气动设计流程的基础上，加入了噪声评估过程，建立了基于通流设计的气动/声学一体化设计方法。为提高设计阶段的评估速度，以三维升力面理论与管道声学理论为基础，从通流设计和造型设计输出中提取参数，结合转子尾迹模型，建立了转/静干涉噪声的解析预测模型。以现代大涵道比涡扇发动机风扇/增压级为对象，采用该模型系统分析了OGV轴向掠形与周向倾斜对转/静干涉噪声的影响，获取了轴向掠形角与周向倾斜角等三维设计参数与风扇噪声的关系图谱，初步确定了低噪声设计较优降噪量的掠和倾组合方案。以此为基础，在保持叶尖子午投影位置和弦长不变的前提下，将叶片前缘和径向积叠进行参数化，采用遗传算法进一步开展了OGV的低噪声优化设计，最终获得了2个优化方案，预估的降噪量达到了8 dB。     

风扇出口导向叶片低噪声设计Ⅱ:数值验证

作为风扇出口导向叶片（Outlet Guide Vanes，OGV）低噪声设计系列文章的第2篇，本文对气动/声学一体化设计获得的2个OGV低噪声方案的降噪效果进行了数值验证。为了对低噪声优化方案的降噪效果进行详细评估，首先，采用非线性谐波法对优化前后的风扇/增压级开展了数值仿真，对OGV不同截面和叶片表面脉动压力进行了对比分析，发现低噪声优化设计方案有效降低了转/静干涉引起的脉动压力；然后，通过掠形和倾斜的合理组合，改变了叶片表面的相位分布，沿径向的相位变化增加了OGV对尾迹响应相互抵消的机会，从而有利于噪声的降低；最后，采用Wilson的波分解方法开展了对各方案的模态分析，对降噪效果进行了量化评估。结果显示，优化后的低噪声方案除起飞状态1BPF外，降噪量均超过了5 dB。     

跨声速风扇的弯、掠三维设计研究

以某小型跨声速单级轴流风扇为平台,采用数值模拟的方法,研究并探讨了弯、掠三维设计技术对具有较高负荷的跨声速轴流压气机性能改善所起到的作用和抑制流动损失增加的机理.分别探讨了在动叶上半叶高和静叶端区采用不同的弯、掠形式对风扇设计点以及等转速线上的小流量工况性能的影响.研究结果表明:动叶上半叶高采用反弯设计能够有效改变动叶端区压力梯度,减少泄漏流在出口压力面侧的堆积,增加动叶顶部的通流能力.静叶端区采用前缘反弯和尾缘正弯的复合弯、扭技术,同时实现了端区增容和控制二次流发展的目的,随着流量的减小,弯、扭设计静叶更好地控制住了端区二次流的恶化,端区损失增长明显较直叶片缓慢,风扇的稳定工作范围得到提高.      

低速风洞的消声降噪改造设计研究

对搬迁改造中的西北工业大学低（变）湍流度风洞进行了降噪设计研究。根据低速风洞噪声的机理及频率特性和该风洞的结构形式及风扇转速,采用两种降噪方法——主动降噪和被动降噪,对风洞进行降噪设计。主动降噪设计方法包括风扇动力段的气动、结构及振动的声学优化设计,被动降噪设计则采用在风洞洞体上安装微穿孔板,利用共振吸声技术进行降噪。结果表明：结合上述措施,55m/s风速下,相同测点和相同运行条件下,风洞噪声值下降约30%;76m/s最大设计风速下,风洞环境噪声被控制在78dB以下。     

大飞机缝翼滑轨影响研究

通过数值模拟和风洞实验两种手段研究了大飞机缝翼滑轨对飞机气动性能的影响.分析了缝翼滑轨对缝道和机翼表面流动分布的影响,获得了缝翼滑轨参数对飞机气动性能的影响规律.数值模拟结果表明:缝翼滑轨对缝道内的流动形成了阻塞,改变了机翼表面的流动形态,减小了机翼附面层流动速度,降低了飞机的失速性能.实验结果表明:通过减小滑轨宽度、减少滑轨数量、采用圆形截面滑轨和滑轨外弯等能够有效降低滑轨影响,改善飞机失速性能;滑轨参数对小尺度模型实验结果的影响尤为显著.研究结果为3m量级和8m量级风洞缝翼滑轨模型设计提供了参考.     

一类轴流叶轮机转/静干扰问题的 3D Euler 数值研究方法

本文将作者发展的定常N-S解程序,改编成时间精确Euler解程序,用于研究转/静干扰问题。对一台高负荷风扇级无粘流场进行时间精确模拟的结果表明,该方法可被应用于轴流叶轮机内非定常流动机理研究。      

风洞风扇桨叶低噪声优化设计及实验研究

风扇噪声是风洞中最主要的噪声源.高噪声不仅会对风洞中的实验结果不利,影响实验结果的可靠性和精确性,而且还会带来严重的噪声污染.因此,对风洞风扇桨叶进行低噪声设计研究具有十分重要的意义.主要研究了风洞风扇桨叶的低噪声设计,采用工程估算法与试验结合的方法对风洞风扇噪声情况进行分析.以某翼型桨叶为研究对象,通过修改叶型尾缘厚度对风洞风扇进行了低噪声优化设计.     

增升装置气动噪声研究现状与发展趋势

在对绿色航空发展要求、噪声适航标准、机体噪声概念介绍的基础上,对增升装置气动噪声进行了详细论述,包括数值分析技术、试验研究、飞行试验、降噪设计等的研究现状;阐述了增升装置气动噪声研究的重要性,提出重视机理研究和数值分析方法验证工作的观点,指出增升装置气动与噪声一体化设计的发展趋势。     

总压畸变对风扇流场影响的全流道数值研究

采用全流道非定常数值模拟方法对进口稳态总压畸变条件下跨声速风扇流场进行求解.详细分析了总压畸变造成风扇性能下降的原因.分析表明,周向不均匀流场使得动静叶进口气流角变得不均匀,从而使进口攻角发生很大变化;动叶在不同周向和径向位置流动状况完全不同;畸变区内静叶根部至中径附近存在大范围的分离区.