涡扇发动机中湍流特性及宽频噪生产生机理的数值研究

In the design of modern turbofan engines, understanding characteristics of turbulence from rotor blades and predicting the correlated broadband noise notably influence commercial turbofan design. High-precision numerical methods as a way to carry out the corresponding researches have become more and more important. This project is mainly focused on transition mechanisms and separations on a single blade and turbulent wake development and its statistical properties downstream of the blade. Generation, evolution and statistical characteristics of turbulence on the blade is generally capable to determine characteristics of aerodynamics, which can be used to predict noise, especially for broadband noise predicition. Turbulent statistic characteristics are the key to representation of the wake turbulence, which can be used to simplify modelling the interaction of the blade wake and outlet guide vanes (OGV). In this project, high-precision spectral/hp element methods are employed to investigate mechanisms of tripping to turbulence on a fan blade and wake properties of the blade. The target is to clarify shear effects, influences of separations and transition paths on downstream turbulence and, understand characteristics of wake mean flow and inhomogeneous turbulent statistical quantities. Built on these researches, the final purpose is to improve and develop analytical and semi-analytical methodologies for fast predicting fan blade self-noise and interaction noise of wake and OGV. The expected research achievements not only strengthen understanding generation mechanisms of turbulence and noise in turbofan engines but also offer methodologies for industrial designs.

在当代涡扇发动机的设计中，理解叶片湍流特性与预测宽频噪声显著影响商业涡扇发动机设计。高精度数值计算在相关研究中变得越来越重要。本项目特别关注叶片上流动转捩机制、流动分离及叶片下游尾迹的发展及尾迹中的湍流统计特征。围绕着风扇叶片的湍流生成、演化及统计特征通常能够决定流动的动力学特征并为叶片噪声预测支撑，特别是宽频噪声。尾迹湍流统计特征对于尾迹表示具有重要意义，其可用于简化尾迹与出口导流叶片的交互建模。本项目拟基于高精度谱元方法，从理解风扇叶片上湍流发生机制及下游湍流尾迹特性入手，澄清叶片表面流动剪切、分离及转捩机制对下游流动特性的影响，并理解下游螺旋尾迹平均流动及非均匀湍流衰减特性。以此为基础，改进与发展快速预测风扇叶片自身噪声及风扇叶片尾迹湍流与出口导叶交互噪声的解析与半解析方法。预期研究成果不仅可以大力增进对涡扇发动机中湍流与宽频噪声的产生机制的认识，也为工业设计提供方法论。

航空航天关键技术的革新对于国防安全及经济至关重要，高精度计算在涡扇发动机设计等领域扮演着至关重要的作用。在涡扇发动机设计中，基于高精度数值计算来理解叶片湍流特性及预测相关噪声是发动机设计的重要支撑，也是目前突破设计瓶颈的关键。本项目以涡扇发动机风扇叶片设计需求为牵引，实现了基于杂交网格及高阶壁面网格的高精度hp型谱元法的隐式大涡模拟方法。首次将hp型谱元法的隐式大涡模型与壁面模化方法结合，构建了面向复杂壁湍流的壁面模化方法，针对湍流分离流，验证了该方法的有效性及精度，拓展了hp型谱元法在工程领域的应用。项目将所形成的方法应用于流动稳定性分析、风扇叶片的流动转捩、湍流及尾迹的研究中，研究了复杂入流条件下叶片的转捩及湍流尾迹的统计特征，深入分析了相关的物理问题，揭示了不同湍流强度下叶片流动转捩机制及尾迹统计特征。同时，基于hp型谱元法的研究基础，构建了流动控制方程与声扰动方程的耦合求解器，针对声辐射问题验证和确认了耦合求解器的计算精度及计算效率，为涡扇发动机风扇噪声的准确模拟提供了基础。本项目研究服务国家重大需求，成果已经在相关的工程单位得到了应用，并取得了良好的效果，准确地模拟了相关型号的复杂流动问题及湍流噪声，得到了应用部门的认可，并获得了应用证明。本项目可为我国航空航天发动机的研究提供一系列的技术支撑，推动自主可控软件在行业领域的深入应用，为推动相关技术革新助力。