转子/静子复杂干涉机制下的气动噪声机理研究

The fluid mechanisms associated with rotor/stator interaction in an aero-engine are very complicated, which significantly impact the time-averaged loading of fan/compressor. Physically speaking, the unsteadiness due to rotor/stator interaction is also the fundamental cause of fan/compressor noise generation. To understand the underlying mechanism of fan/compressor noise and develop effective control methods, more efforts should be made to explain the inherent relation between generation of blade unsteady loading and rotor/stator interaction. Different from existing studies, on the basis of established computational platform for moving boundary problems, the unsteady flow related to rotor/stator interaction is solved on a single fixed rectangular Cartesian mesh in this study. The combined effect of wake interaction, potential interaction and vortex lift mechanism on the generation of blade unsteady loading and fan/compressor noise are studied by calculating the flow passing through the rotor/stator stage as a whole. The details of the present study are:1) Increasing the efficiency and reliability by using new strategy to describe the boundary conditions; 2) Investigation on the effects of rotor/stator interaction on the generation of fan/compressor noise; 3) Reducing the rotor/stator interaction noise by optimizing the overall arrangement of rotor/stator stage. It is expected to find effective strategies to reduce fan/compressor noise by suppressing the generation of sound source at the design stage of aero-engine.

航空发动机转子/静子干涉机制十分复杂，它不仅影响系统的平均负荷，也是风扇/压气机气动噪声产生的物理根源。为充分理解风扇/压气机噪声的产生机理，寻求新的噪声控制手段，急需对转子/静子复杂干涉机制作用下的非定常流动过程进行深入的研究。不同于已有的国内外工作孤立的研究假定尾迹与叶片排作用发声，本项申请基于所建立的运动边界数值模拟平台，将转子/静子作为一个整体单元，研究尾迹干涉、势流干涉和非定常涡升力机制共同作用下叶片声载荷的形成过程，以揭示转子/静子干涉噪声声源的产生机理。相关的研究内容包括：1）研究新的边界条件处理方法，提高已有运动边界数值模拟平台的计算效率与可靠性；2）研究转子/静子干涉效应对叶片声载荷的影响；3）研究如何通过合理的转子/静子整体气动布局抑制叶片声载荷，以达到降低转子/静子干涉噪声的目的，从控制声源入手探索降低风扇/压气机噪声的新方法。

风扇/压气机转子/静子干涉噪声是航空发动机的主要声源，在未来的大涵道比发动机中，其在所占比重将进一步提高。涵道比的增加也会降低短舱声衬的降噪能力，因此，研究转静干涉气动噪声声源的产生机理，从气动优化设计出发降低发动机气动噪声值得开展深入的研究。首先，本项目进一步发展了基于浸入式边界方法的高精度运动边界数值模拟平台。一方面结合高精度计算格式和无反射边界条件，满足了声学高精度计算的要求，同时改进了边界力源的求解方法，提高了计算精度和程序的鲁棒性；另一方面，克服了浸入式边界方法用于高雷诺数模拟的瓶颈问题，采用了自适应网格和壁面函数湍流模型相结合的方法，将求解高雷诺数湍流流动的计算速度提高了30倍以上。通过与实验结果的精细对比，充分证明了方法的准确性，为转子/静子复杂干涉机制下的气动噪声机理研究提供了必要的计算工具。其次，通过数值模拟，深入研究了非均匀流动条件下的声传播规律，转子/静子干涉干涉流动产生脉动载荷的机理，轴向间距对叶片非定常载荷的影响规律等科学问题的研究。清晰的展示了转子/静子气动布局对压气机气动噪声具有显著的影响。展现了通过从压气机气动设计优化出发，实现降低转子/静子干涉诱发的脉动载荷，降低航空发动机风扇/压气机气动噪声的潜力。最后，通过单级风扇气动噪声测量实验，详细分析了转子/静子干涉噪声频谱随流量系数变化的规律。本质上体现了压气机在不同的气动工作条件下转静干涉流动的变化直接影响了叶片表面的压力脉动，进而改变了气动噪声的频谱强度。基于实验数据详细分析了流动工况对总声压级，各BPF声压级以及模态能量分布的影响。后续还需开展大量的数值模拟与参数研究，进一步掌握低噪声优化设计规律。本项目按照任务书要求完成了预期目标，有助于为我国自主设计研制的低噪声航空发动机做出既有工程实用价值又有学术理论贡献的探索工作。.