渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴流流場(chǎng)和聲場(chǎng)數(shù)值模擬

田玉雯

【摘 要】為了適應(yīng)嚴(yán)格的飛機(jī)適航噪聲標(biāo)準(zhǔn)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲是現(xiàn)今渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素之一。本文采用大渦模擬（LES）和聲學(xué)軟件，計(jì)算了不同邊界條件下排氣噴管流場(chǎng)及聲場(chǎng)特性。研究表明，噴管入口壓比和溫度同時(shí)影響著噴流噪聲，當(dāng)壓力增大時(shí)，噴流噪聲的聲壓級(jí)整體隨之增加，且在-36°到36°區(qū)間增大幅值明顯。內(nèi)涵入口溫度增加時(shí)，總聲壓級(jí)整體增加， 且當(dāng)內(nèi)涵入口溫度每升高100K時(shí)，總聲壓級(jí)增加幅度為2-4dB。

【關(guān)鍵詞】渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣噪聲、大渦模擬、總聲壓級(jí)

Numerical caculation of flow and acoustics fields for

turbofan engine exhaust flow

TIAN Yu-wen

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210）

【Abstract】In order to adapt to strict standard of seaworthy noise， one of the factors that should be taken into account is exhaust jet noise reduction when turbofan engine exhaust system design today. This article adopts the method of combination of LES and acoustics software， analysis the fluid and acoustic field features in the different boundary conditions. The calculation results show that both inlet pressure radio and temperature affect the jet noise. With the increase of inlet pressure， the jet noise SPL is obviously higher in the range of -36°to 36°. And with the increases of inlet temperature， OSPL overall increased. Besides， when the temperature rises every 100K， the jet noise increases 2-4dB.

【Key words】Turbofan engine； Exhaust jet noise； Large eddy simulation （LES）； FW-H equation； Overall sound pressure level （OSPL）

從渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)到今，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平得到了很大提高。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)的高速噴氣流產(chǎn)生的強(qiáng)烈的噴流噪聲，帶來(lái)了巨大的噪聲污染，使得噪聲問(wèn)題日益嚴(yán)重。另一方面，人類對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日益重視，使得噴氣式飛機(jī)噪聲問(wèn)題變得越來(lái)越突出，國(guó)際航空界不得不重視和面對(duì)飛機(jī)噪聲問(wèn)題。從此各大飛機(jī)制造公司和航空研究機(jī)構(gòu)開始投入巨大的力量研究飛機(jī)的噪聲問(wèn)題，對(duì)飛機(jī)各種噪聲源噪聲輻射特征進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，噪聲水平已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。根據(jù)Lighthill聲類比理論的分析，噴流噪聲與噴流速度的6-8次方成正比[2]。為了降低噴流噪聲，可以通過(guò)增大涵道比和降低噴流速度的方式降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，隨著渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的不斷提高，相應(yīng)的排氣速度減小，與風(fēng)扇壓氣機(jī)噪聲以及渦輪噪聲相比，排氣噪聲逐漸減小[3]。國(guó)內(nèi)在噴流噪聲方面研究較少。

本文采用混合方法來(lái)研究大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴管的噴流噪聲。首先采用基于大渦模擬的CFD軟件計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，然后將流場(chǎng)信息作為聲源信息導(dǎo)入到聲學(xué)軟件ACTRAN中進(jìn)行聲傳播計(jì)算，分析并討論了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外涵入口壓比參數(shù)和內(nèi)涵溫度變化對(duì)流場(chǎng)及聲場(chǎng)聲壓級(jí)分布的影響。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 物理模型

計(jì)算模型為某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)1：10縮比模型。其基本結(jié)構(gòu)由外涵通道、內(nèi)涵通道、整流內(nèi)錐組成。為了分析斜切噴管噴流噪聲聲壓級(jí)空間分布規(guī)律，現(xiàn)在垂直平面和水平平面上分別以內(nèi)涵噴流出口中心處為圓心，在半徑為2.5m的圓上從-90°到90°布置了噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間隔角度18°，共21個(gè)近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體分布如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

流場(chǎng)網(wǎng)格為噴管局部非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和外場(chǎng)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的結(jié)合，網(wǎng)格數(shù)量總共為120萬(wàn)。聲場(chǎng)網(wǎng)格由于軟件要求為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量總共為180萬(wàn)。

流場(chǎng)邊界條件設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)外涵進(jìn)口以及內(nèi)涵進(jìn)口設(shè)為壓力入口，其中設(shè)置五組壓力入口參數(shù)，具體為外涵內(nèi)涵進(jìn)口壓力比分別為：1.62 atm/1.35 atm、1.62 atm/1.62 atm、1.62 atm/1.8 atm 、1.8 atm/1.8 atm和1.35 atm/1.8 atm。另設(shè)置四組內(nèi)涵溫度參數(shù)，分別為650K、750K、845K和960K，外涵溫度不變均為335 K。外場(chǎng)邊界不變?yōu)閴毫Τ隹?，壓力?01325pa，溫度為288.15K。

聲學(xué)處理的頻率范圍是200-10000Hz，計(jì)算頻率間隔為200Hz，總共計(jì)算50個(gè)頻率。計(jì)算非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)Δt取值為0.00005s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算迭代80步，共迭代100個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。非穩(wěn)態(tài)湍流流場(chǎng)經(jīng)過(guò)傅里葉變化得到基于頻域變化的聲源信息。聲音從聲源區(qū)向外界傳播，經(jīng)過(guò)聲傳播區(qū)后通過(guò)無(wú)限元邊界輻射出去，監(jiān)測(cè)點(diǎn)捕捉到聲波通過(guò)該點(diǎn)時(shí)的脈動(dòng)得到信息。本文中數(shù)值計(jì)算方法參考引用文獻(xiàn)[4]，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證參考引用文獻(xiàn)[5]。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 入口壓比對(duì)流程和聲場(chǎng)的影響

在外涵入口壓力不變?yōu)?.62atm的條件下，通過(guò)改變內(nèi)涵入口壓力為：1.35atm、1.62 atm和1.8 atm，分別進(jìn)行了流場(chǎng)和聲場(chǎng)的數(shù)值模擬。圖4是不同內(nèi)涵壓力入口時(shí)分開排氣系統(tǒng)對(duì)稱截面（z=0截面）的速度云圖。從圖中可以看出內(nèi)涵氣流通過(guò)整流錐流出噴管后與外涵低速氣流間發(fā)生剪切混合，外涵低速氣流包裹著內(nèi)涵高速氣流與周圍大氣混合。當(dāng)內(nèi)涵入口壓比逐漸增加時(shí)，噴管外流場(chǎng)中高速氣流核心區(qū)速度明顯增加，并且可以看出核心區(qū)長(zhǎng)度也隨之逐漸增加。

但是，當(dāng)內(nèi)涵入口壓力恒定為1.82atm，分別改變外涵入口壓力為：1.35atm、1.62 atm和1.8 atm，發(fā)現(xiàn)外涵壓力的增加對(duì)整個(gè)噴流速度場(chǎng)的影響較??；對(duì)內(nèi)涵氣流所形成的噴流核心區(qū)的影響也小。這是由于雖然外涵入口壓力增加，會(huì)同外部大氣進(jìn)行摻混，而內(nèi)涵氣流主要影響湍流核心區(qū)發(fā)展，所以湍流核心區(qū)的速度變化不大。

圖4是不同入口壓比下的分開排氣噴管在垂直平面的總聲壓級(jí)分布圖， （a）是外涵壓比不變，僅改變內(nèi)涵壓比時(shí)的垂直平面噴流噪聲總聲壓級(jí)空間分布。從圖中可以看出噴管內(nèi)涵壓力的變化對(duì)噴流聲壓級(jí)的空間分布，也就是噪聲的指向性，沒(méi)有太大的影響；但是噴流的聲壓級(jí)卻相差較大。當(dāng)內(nèi)涵入口壓比升高時(shí)，總聲壓級(jí)整體隨之增加，在-36°到36°區(qū)間內(nèi)，總聲壓級(jí)變化尤為明顯，在18°位置總聲壓級(jí)增加達(dá)到7dB，而在36°到90°區(qū)間以及-36°到-90°區(qū)間中，內(nèi)涵入口壓比的變化對(duì)總聲壓級(jí)影響相對(duì)較小。這主要是因?yàn)楫?dāng)入口壓力增加時(shí)，流場(chǎng)速度也隨之增加，而噴流速度是噴流噪聲聲壓級(jí)大小的決定性因素，這就直接導(dǎo)致總聲壓級(jí)的增加，由于速度的增加主要集中在湍流核心區(qū)，所以在-36°到36°區(qū)間內(nèi)的總聲壓級(jí)增加明顯。（b）是內(nèi)涵壓比不變，僅改變外涵壓比時(shí)的垂直平面噴流噪聲總聲壓級(jí)空間分布。從圖中可以看出當(dāng)外涵壓力增加時(shí)，總聲壓級(jí)也隨之增加，在范圍在-36°到36°區(qū)間內(nèi)，總聲壓級(jí)的變化較為明顯，但其增加幅度不如僅改變內(nèi)涵入口壓力時(shí)明顯，變化規(guī)律類似。這是由于內(nèi)涵氣流是影響湍流核心區(qū)的主要因素。

2.2 入口溫度對(duì)流程和聲場(chǎng)的影響

保持外涵溫度不變，通過(guò)改變內(nèi)涵入口溫度，分別為650K、750K、845K和960K，來(lái)觀察入口溫度對(duì)流場(chǎng)的影響，從圖5中可以看出當(dāng)內(nèi)涵入口溫度增加時(shí)，流場(chǎng)速度整體呈增加趨勢(shì)，同時(shí)隨著溫度增加，流場(chǎng)湍流核心區(qū)的長(zhǎng)度也隨之增大。

（a） T內(nèi)=650K

（b） T內(nèi)=750K

（c） T內(nèi)=845K

（d） T內(nèi)=960K

圖6是當(dāng)NPR外=1.35，NPR內(nèi)=1.8時(shí)改變?nèi)肟跍囟认碌拇怪逼矫姹O(jiān)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)分布圖，從圖中可以看出當(dāng)內(nèi)涵入口溫度增加時(shí)，總聲壓級(jí)整體增加，當(dāng)內(nèi)涵入口溫度每升高100K時(shí)，總聲壓級(jí)增加幅度為2-4dB，但是其空間分布的指向性沒(méi)有較大變化。這是由于入口溫度的改變影響著流場(chǎng)速度變化，而速度是直接影響總聲壓級(jí)的大小，所以當(dāng)溫度升高時(shí)，總聲壓級(jí)也隨之均勻增加，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)雖然溫度發(fā)生變化，但總聲壓級(jí)分布指向性沒(méi)有變化。

圖6 不同入口溫度下垂直平面總聲壓級(jí)分布

3 結(jié)論

本文對(duì)分開排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行CFD/CAA的數(shù)值模擬，分析并討論了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外涵入口壓比和內(nèi)涵入口溫度參數(shù)對(duì)流場(chǎng)及聲場(chǎng)聲壓級(jí)分布的影響，主要結(jié)論如下：

（1）內(nèi)涵氣流通過(guò)整流錐整流后與外涵低速氣流混合，外涵低速氣流包裹著內(nèi)涵高速氣流與周圍大氣混合。模型結(jié)構(gòu)不變時(shí)，當(dāng)內(nèi)涵入口壓力增加，噴流湍流核心區(qū)長(zhǎng)度有所增加，同時(shí)速度明顯增加，導(dǎo)致總聲壓級(jí)也隨之增加。由于速度的增加主要集中在湍流核心區(qū)，所以在-36°到36°區(qū)間內(nèi)的總聲壓級(jí)增加明顯。相比較而言，外涵入口壓力的改變對(duì)聲壓級(jí)影響稍小一點(diǎn)。

（2）當(dāng)內(nèi)涵入口溫度增加時(shí)，流場(chǎng)速度呈增加趨勢(shì)，總聲壓級(jí)也整體增加。當(dāng)內(nèi)涵入口溫度每升高100K時(shí)，總聲壓級(jí)增加幅度為2-4dB，但是其空間分布的指向性沒(méi)有較大變化。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]