CN111523220B - 一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法 - Google Patents

一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，通过获取被测模型的几何参数、主流参数、湍流参数后代入三维升力面宽频噪声模型，在模型中分别设置不同的计算频率，得到设置频率下风扇、压气机转静干涉所产生的宽频噪声声压级，将不同频率下的宽频噪声声压级绘制成图表，得到风扇、压气机转静干涉宽频噪声频谱图。本发明能够结合流场数值模拟结果和风扇、压气机转静干涉宽频噪声模型，实现考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测。不仅能够大幅度降低对试验条件、计算资源和计算时间的依赖，而且能够考虑流动中湍流脉动的影响，可以进行风扇、压气机转静干涉宽频噪声产生机理研究，为风扇、压气机低噪声设计提供技术支撑。

Description

一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预 测方法
技术领域
本发明涉及航空航天领域，具体涉及到一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法。
背景技术
风扇、压气机噪声是航空发动机噪声的重要组成部分，随着现代涡轮风扇发动机涵道比不断增大，风扇、压气机噪声所占比例有不断增大的趋势，因此研究风扇、压气机噪声问题对降低航空发动机噪声乃至飞机整体噪声显得尤为重要。
风扇、压气机噪声的一个重要产生来源是转静干涉，当高速气流流经高速旋转的转子，会产生一系列的旋涡结构与湍流结构，作用于下级的静子后，便会产生高强度的离散噪声与宽频噪声。随着研究的不断深入，风扇、压气机转静干涉离散噪声的产生机理与控制方法逐渐清晰，但是风扇、压气机转静干涉宽频噪声问题仍然未得到很好的解决，噪声快速预测是理解噪声机理与设计控制方法中必不可少的环节。因此，研究风扇、压气机转静干涉宽频噪声预测方法具有重要意义。
当前风扇、压气机转静干涉宽频噪声的快速预测方法主要是经验方法和解析方法。经验方法可以用少量的试验数据代入经验公式，来实现风扇、压气机转静干涉宽频噪声的快速预测，但是经验方法无法考虑流动的影响，并且前期需要大量的试验结果来建立、修正经验公式。解析方法采用简化模型来预测风扇、压气机转静干涉宽频噪声，虽然大大减小了计算量，但是也不能考虑流动的影响，导致预测结果误差较大。
气体流动是产生风扇、压气机转静干涉宽频噪声的根本原因，因此，在风扇、压气机转静干涉宽频噪声的快速预测过程中，考虑转子与静子中流动的影响，分析转静干涉中旋涡结构与湍流脉动对噪声产生的作用，对减小风扇、压气机转静干涉宽频噪声的预测误差，理解风扇、压气机转静干涉宽频噪声的产生机理，设计风扇、压气机转静干涉宽频噪声的控制方法非常重要。
商业流场数值模拟软件广泛应用于叶轮机械的数值仿真，如NUMECA、Fluent、CFX等软件，利用商业流场数值模拟软件能获得风扇、压气机转静干涉三维流场结果，但其数值模拟结果只能够给出主流速度场和压力场等数据，无法直接计算出用来进行预测风扇、压气机转静干涉宽频噪声所需的全部参数，从而无法利用流场数值模拟结果与宽频噪声模型进行风扇、压气机转静干涉宽频噪声的快速预测。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，通过对利用商业流场数值模拟软件获得的风扇、压气机转静干涉流场结果进行综合处理分析，分析转子尾迹湍流脉动速度与湍动能的关系，计算出风扇、压气机转静干涉宽频噪声预测所需的湍流参数、几何参数和主流参数，结合已有的宽频噪声预测模型，实现在考虑流动影响下的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，包括：
S1:获取被测模型的几何参数，包括不依赖流场数值模拟结果的转子数、静子数、静子弦长、轮毂半径和机匣半径；
S2:获取被测模型的主流参数，包括从流场数值模拟设置及结果中得到的转速、密度、声速、进口马赫数；
S3:获取被测模型的湍流参数，包括从分析转子尾迹湍流脉动速度与湍动能的关系得到的背景湍流强度、中心线湍流强度、湍流宽度和湍流积分尺度；
S4：将几何参数、主流参数、湍流参数代入三维升力面宽频噪声模型，
S5：在模型中分别设置不同的计算频率，得到设置频率下风扇、压气机转静干涉所产生的宽频噪声声压级；
S6:将不同频率下的宽频噪声声压级绘制成图表，得到风扇、压气机转静干涉宽频噪声频谱图。
在上述技术方案中，所述几何参数根据流场数值模拟所用的被测模型设计参数获取。
在上述技术方案中，所述湍流参数的获取包括以下步骤：
S31:建立风扇、压气机流场参考面；
S32:计算参考面上垂直于尾迹的湍流脉动速度；
S33:利用湍流脉动速度计算背景湍流强度、中心线湍流强度和湍流宽度；
S34:根据湍流模型的不同类型，计算垂直于尾迹的湍流积分尺度。
在上述技术方案中，所述S31中，对三维流场计算结果进行切片，在轮毂和机匣的1/2处建立参考面。
在上述技术方案中，在S2中，定义湍流脉动速度
Figure BDA0002454537640000031
其中k为湍动能，在转静交界面前而且靠近转静交界面处，截取垂直于转子尾迹的数据，获取每个点的三维坐标和湍流脉动速度。
在上述技术方案中，根据所述每个点的三维坐标和湍流脉动速度，通过湍流脉动速度最大值计算背景湍流强度。
在上述技术方案中，根据所述每个点的三维坐标和湍流脉动速度，通过湍流脉动速度最小值计算中心线湍流强度。
在上述技术方案中，以第一个点为原点，将每个点的三维坐标转换为离第一个点的距离后，采用插值的方法计算湍流宽度。
在上述技术方案中，当为k-epsilon湍流模型计算流场时，湍流积分尺度
Figure BDA0002454537640000041
当为SST湍流模型计算流场，湍流积分尺度
Figure BDA0002454537640000042
其中k为湍动能，ε为湍动能耗散率，ω为单位体积单位时间能量的耗散率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明能够结合流场数值模拟结果和风扇、压气机转静干涉宽频噪声模型，实现考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测。不仅能够大幅度降低对试验条件、计算资源和计算时间的依赖，而且能够考虑流动中湍流脉动的影响，可以进行风扇、压气机转静干涉宽频噪声产生机理研究，为风扇、压气机低噪声设计提供技术支撑。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1参考面上马赫数的云图；
图2截取转子进口前垂直于轴线的马赫数示意图；
图3截取位置处若干点的马赫数部分数据示意图；
图4流场参考面；
图5参考面上湍流脉动速度云图；
图6截取垂直于转子尾迹的湍流脉动速度示意图；
图7截取位置处若干点的三维坐标和湍流脉动速度；
图8参考面上湍流积分尺度云图(k-epsilon湍流模型)；
图9截取垂直于转子尾迹的湍流积分尺度示意图(k-epsilon湍流模型)；
图10截取位置处若干点的三维坐标和湍流积分尺度部分数据示意图(k-epsilon湍流模型)；
图11参考面上湍流积分尺度云图(SST湍流模型)；
图12截取垂直于转子尾迹的湍流积分尺度示意图(SST湍流模型)；
图13截取位置处若干点的三维坐标和湍流积分尺度部分数据示意图(SST湍流模型)；
图14不同转速下的风扇、压气机转静干涉宽频噪声频谱图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
一、计算几何参数
几何参数包括转子数、静子数、静子弦长、轮毂半径和机匣半径，这些参数不依赖流场数值模拟结果。
可以根据流场数值模拟所用的几何模型设计参数直接得到转子数、静子数、静子弦长、轮毂半径和机匣半径，如下表所示。本实施例中的几何模型是指被测的模型。
Figure BDA0002454537640000061
二、计算主流参数
主流参数包括转速、密度、声速、进口马赫数，可以从流场数值模拟设置及结果中得到，具体如下：
根据流场数值模拟中进口边界条件的设置，得到转速。
由于转速低，空气温度基本没变，密度取1.248kg/m3。
由于转速低，空气温度基本没变，声速取340m/s。
在参考面上显示马赫数的云图，如图1所示。
在转子进口处，截取垂直于轴线的数据，并于右侧在平面直角坐标系中显示马赫数二维曲线图，如图2所示。
导出截取位置处每个点马赫数，部分数据如图3所示。
通过Matlab软件，读取截取位置处每个点的马赫数，形成一个一维向量。
计算所有点马赫数的平均值，作为进口马赫数。
三、计算湍流参数
湍流参数的获取是在NUMECA软件环境下进行。
S1:建立风扇、压气机流场参考面
a)通过NUMECA软件中的后处理功能，对采用NUMECA软件中Fine求解器计算的风扇、压气机流场结果进行显示。
b)对三维流场计算结果进行切片，在轮毂和机匣的1/2处建立参考面，如图4所示。
S2:计算参考面上垂直于尾迹的湍流脉动速度
针对某一计算状态下流场云图，选定参考面后，利用湍动能与湍流脉动速度的关系，计算垂直于尾迹的湍流脉动速度，具体过程如下：
a)定义湍流脉动速度
Figure BDA0002454537640000071
其中k为湍动能。
b)在参考面上显示湍流脉动速度的云图，如图5所示。
c)在转静交界面前而且尽量靠近转静交界面处，截取垂直于转子尾迹的数据，并于右侧在平面直角坐标系中显示湍流脉动速度二维曲线图，如图6所示。
d)导出截取位置处每个点的三维坐标和湍流脉动速度，部分数据如图7所示。
S3:利用湍流脉动速度计算背景湍流强度、中心线湍流强度和湍流宽度
针对截取位置处每个点的三维坐标和湍流脉动速度数据，可以通过湍流脉动速度最大值计算背景湍流强度；可以利用湍流脉动速度最小值计算中心线湍流强度；将每个点的三维坐标转换为离第一个点的距离后，可以采用插值的方法计算湍流宽度，具体过程如下：
a)通过Matlab软件，读取截取位置处每个点的三维坐标和湍流脉动速度，形成1个4维向量。
b)计算湍流脉动速度的最小值，将其作为背景湍流强度。
c)计算湍流脉动速度的最大值，将其作为中心线湍流强度。
d)以向量的第一个点为原点，利用三维坐标，求出其他点相对原点的距离，转化成一个只包含距离和湍流脉动速度的2维向量。把距离作为横坐标x，湍流脉动速度作为纵坐标y。
e)以背景湍流强度和中心线湍流强度之和的一半，作为参考纵坐标y1/2。
f)将2维向量中每个点纵坐标与参考纵坐标差值作差，求出该差值的绝对值△y。
g)计算每个点纵坐标与参考纵坐标差值绝对值的最小值△ymin。
h)找出与参考纵坐标差值的绝对值为△ymin的点所对应的横坐标，记为参考横坐标x1/2。
i)把中心线湍流强度对应的横坐标xh与参考横坐标x1/2作差，计算其绝对值|xh-x1/2|。
j)将该绝对值的2倍，即2|xh-x1/2|作为湍流宽度。
S4:根据湍流模型的不同类型，计算垂直于尾迹的湍流积分尺度
针对不同的湍流模型，湍流积分尺度的计算方式也会发生变化。采用k-epsilon湍流模型计算流场时，计算湍流积分尺度具体过程如下：
a)定义湍流积分尺度
Figure BDA0002454537640000081
其中k为湍动能，ε为湍动能耗散率。
b)在参考面上显示湍流积分尺度的云图，如图8所示。
c)在与截取湍流脉动速度位置尽量相同的位置，截取垂直于转子尾迹的湍流积分尺度数据，并在右侧以坐标系的方式显示湍流积分尺度，如图9所示。
d)导出截取点的三维坐标和湍流积分尺度，某状态下的部分数据如图10所示。
e)通过matlab软件，导入截取位置每个点湍流积分尺度的数据，将其作为一个1维数组。
f)计算数组中的最大值，作为影响宽频噪声的湍流积分尺度。
采用SST湍流模型计算流场时，计算湍流积分尺度具体过程如下：
g)定义湍流积分尺度
Figure BDA0002454537640000091
其中k为湍动能，ω为单位体积单位时间能量的耗散率。
h)在参考面上显示湍流积分尺度的云图，如图11所示。
i)在与截取湍流脉动速度位置尽量相同的位置，截取垂直于转子尾迹的湍流积分尺度数据，并在右侧以坐标系的方式显示湍流积分尺度，如图12所示。
j)导出截取点的三维坐标和湍流积分尺度，某状态下的部分数据如图13所示。
k)通过matlab软件，导入截取位置每个点湍流积分尺度的数据，将其作为一个1维数组。
计算数组中的最大值，作为影响宽频噪声的湍流积分尺度。
四、计算宽频噪声预测结果
将湍流参数(背景湍流强度、中心线湍流强度、湍流宽度和湍流积分尺度)、几何参数、主流参数，代入文献1(Zhang Weiguang,Wang Xiaoyu,Sun Xiaofeng.A broadbandnoise model for turbulence/annular cascade interaction[C].//19th AIAA/CEASAeroacoustics Conference,Berlin:AIAA,2013.)所提出的风扇、压气机转静干涉宽频噪声模型，也即是三维升力面宽频噪声模型。
a)设置计算频率，分别为500Hz、1000Hz、1500Hz…、6000Hz，得到这些频率下风扇、压气机转静干涉所产生的宽频噪声声压级。
b)将每个频率下的宽频噪声声压级绘制成图表，可以得到某一转速下的风扇、压气机转静干涉宽频噪声频谱图。
c)更改计算转速，重复上述2个步骤，可以得到不同转速的风扇、压气机转静干涉宽频噪声频谱图，如图14所示，其中3000转/分钟(RPM代表转/分钟)为100％转速。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于包括：
S1:获取被测模型的几何参数，包括不依赖流场数值模拟结果的转子数、静子数、静子弦长、轮毂半径和机匣半径；
S2:获取被测模型的主流参数，包括从流场数值模拟设置及结果中得到的转速、密度、声速、进口马赫数；
S3:获取被测模型的湍流参数，包括从分析转子尾迹湍流脉动速度与湍动能的关系得到的背景湍流强度、中心线湍流强度、湍流宽度和湍流积分尺度；
S4：将几何参数、主流参数、湍流参数代入三维升力面宽频噪声模型，在模型中分别设置不同的计算频率，得到设置频率下转静干涉所产生的宽频噪声声压级；
S5:将不同频率下的宽频噪声声压级绘制成图表，得到风扇、压气机转静干涉宽频噪声频谱图。
2.根据权利要求1所述的一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于所述几何参数根据流场数值模拟所用的被测模型设计参数获取。
3.根据权利要求1所述的一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于所述湍流参数的获取包括以下步骤：
S31:建立风扇、压气机流场参考面；
S32:计算参考面上垂直于尾迹的湍流脉动速度;
S33:利用湍流脉动速度计算背景湍流强度、中心线湍流强度和湍流宽度;
S34:根据湍流模型的不同类型，计算垂直于尾迹的湍流积分尺度。
4.根据权利要求3所述的一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于：所述S31中，对三维流场计算结果进行切片，在轮毂和机匣的1/2处建立参考面。
5.根据权利要求3所述的一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于：在S3中，定义湍流脉动速度
Figure QLYQS_1
，其中k为湍动能，在转静交界面前而且靠近转静交界面处，截取垂直于转子尾迹的数据，获取每个点的三维坐标和湍流脉动速度。
6.根据权利要求5所述的一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于：根据所述每个点的三维坐标和湍流脉动速度，通过湍流脉动速度最大值计算背景湍流强度。
7.根据权利要求5所述的一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于：根据所述每个点的三维坐标和湍流脉动速度，通过湍流脉动速度最小值计算中心线湍流强度。
8.根据权利要求5所述的一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于：以第一个点为原点，将每个点的三维坐标转换为离第一个点的距离后，采用插值的方法计算湍流宽度。
9.根据权利要求3所述的一种考虑流动影响的风扇、压气机转静干涉宽频噪声快速预测方法，其特征在于：
当为k-epsilon湍流模型计算流场时，湍流积分尺度
Figure QLYQS_2
，
当为SST湍流模型计算流场，湍流积分尺度
Figure QLYQS_3
，
其中k为湍动能，
Figure QLYQS_4
为湍动能耗散率，
Figure QLYQS_5
为单位体积单位时间能量的耗散率。
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