渦扇發動機排氣噴流流場和聲場數值模擬

田玉雯

【摘 要】為了適應嚴格的飛機適航噪聲標準，降低發動機排氣噪聲是現今渦扇發動機設計時必須考慮的因素之一。本文采用大渦模擬（LES）和聲學軟件，計算了不同邊界條件下排氣噴管流場及聲場特性。研究表明，噴管入口壓比和溫度同時影響著噴流噪聲，當壓力增大時，噴流噪聲的聲壓級整體隨之增加，且在-36°到36°區間增大幅值明顯。內涵入口溫度增加時，總聲壓級整體增加， 且當內涵入口溫度每升高100K時，總聲壓級增加幅度為2-4dB。

【關鍵詞】渦扇發動機、排氣噪聲、大渦模擬、總聲壓級

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）

從渦噴發動機的出現到今，航空燃氣渦輪發動機技術水平得到了很大提高。但是，發動機的高速噴氣流產生的強烈的噴流噪聲，帶來了巨大的噪聲污染，使得噪聲問題日益嚴重。另一方面，人類對環境保護問題的日益重視，使得噴氣式飛機噪聲問題變得越來越突出，國際航空界不得不重視和面對飛機噪聲問題。從此各大飛機制造公司和航空研究機構開始投入巨大的力量研究飛機的噪聲問題，對飛機各種噪聲源噪聲輻射特征進行了大量的理論和實驗研究，噪聲水平已經成為發動機氣動設計的一個重要指標[1]。根據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，可以通過增大涵道比和降低噴流速度的方式降低發動機的噪聲，隨著渦輪風扇發動機涵道比的不斷提高，相應的排氣速度減小，與風扇壓氣機噪聲以及渦輪噪聲相比，排氣噪聲逐漸減小[3]。國內在噴流噪聲方面研究較少。

本文采用混合方法來研究大涵道比渦扇發動機排氣噴管的噴流噪聲。首先采用基于大渦模擬的CFD軟件計算發動機噴流的非穩態流場，然后將流場信息作為聲源信息導入到聲學軟件ACTRAN中進行聲傳播計算，分析并討論了發動機內外涵入口壓比參數和內涵溫度變化對流場及聲場聲壓級分布的影響。

1 計算模型和方法

1.1 物理模型

計算模型為某型渦扇發動機排氣系統1：10縮比模型。其基本結構由外涵通道、內涵通道、整流內錐組成。為了分析斜切噴管噴流噪聲聲壓級空間分布規律，現在垂直平面和水平平面上分別以內涵噴流出口中心處為圓心，在半徑為2.5m的圓上從-90°到90°布置了噪聲監測點，間隔角度18°，共21個近場監測點，具體分布如圖1所示。

1.2 網格劃分及邊界條件

流場網格為噴管局部非結構化網格和外場結構化網格的結合，網格數量總共為120萬。聲場網格由于軟件要求為非結構化網格，網格數量總共為180萬。

流場邊界條件設定為發動機外涵進口以及內涵進口設為壓力入口，其中設置五組壓力入口參數，具體為外涵內涵進口壓力比分別為：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。另設置四組內涵溫度參數，分別為650K、750K、845K和960K，外涵溫度不變均為335 K。外場邊界不變為壓力出口，壓力為101325pa，溫度為288.15K。

聲學處理的頻率范圍是200-10000Hz，計算頻率間隔為200Hz，總共計算50個頻率。計算非穩態流場的時間步長Δt取值為0.00005s，每個時間步長內計算迭代80步，共迭代100個時間步長。非穩態湍流流場經過傅里葉變化得到基于頻域變化的聲源信息。聲音從聲源區向外界傳播，經過聲傳播區后通過無限元邊界輻射出去，監測點捕捉到聲波通過該點時的脈動得到信息。本文中數值計算方法參考引用文獻[4]，實驗驗證參考引用文獻[5]。

2 計算結果分析

2.1 入口壓比對流程和聲場的影響

在外涵入口壓力不變為1.62atm的條件下，通過改變內涵入口壓力為：1.35atm、1.62 atm和1.8 atm，分別進行了流場和聲場的數值模擬。圖4是不同內涵壓力入口時分開排氣系統對稱截面（z=0截面）的速度云圖。從圖中可以看出內涵氣流通過整流錐流出噴管后與外涵低速氣流間發生剪切混合，外涵低速氣流包裹著內涵高速氣流與周圍大氣混合。當內涵入口壓比逐漸增加時，噴管外流場中高速氣流核心區速度明顯增加，并且可以看出核心區長度也隨之逐漸增加。

但是，當內涵入口壓力恒定為1.82atm，分別改變外涵入口壓力為：1.35atm、1.62 atm和1.8 atm，發現外涵壓力的增加對整個噴流速度場的影響較小；對內涵氣流所形成的噴流核心區的影響也小。這是由于雖然外涵入口壓力增加，會同外部大氣進行摻混，而內涵氣流主要影響湍流核心區發展，所以湍流核心區的速度變化不大。

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分布圖， （a）是外涵壓比不變，僅改變內涵壓比時的垂直平面噴流噪聲總聲壓級空間分布。從圖中可以看出噴管內涵壓力的變化對噴流聲壓級的空間分布，也就是噪聲的指向性，沒有太大的影響；但是噴流的聲壓級卻相差較大。當內涵入口壓比升高時，總聲壓級整體隨之增加，在-36°到36°區間內，總聲壓級變化尤為明顯，在18°位置總聲壓級增加達到7dB，而在36°到90°區間以及-36°到-90°區間中，內涵入口壓比的變化對總聲壓級影響相對較小。這主要是因為當入口壓力增加時，流場速度也隨之增加，而噴流速度是噴流噪聲聲壓級大小的決定性因素，這就直接導致總聲壓級的增加，由于速度的增加主要集中在湍流核心區，所以在-36°到36°區間內的總聲壓級增加明顯。（b）是內涵壓比不變，僅改變外涵壓比時的垂直平面噴流噪聲總聲壓級空間分布。從圖中可以看出當外涵壓力增加時，總聲壓級也隨之增加，在范圍在-36°到36°區間內，總聲壓級的變化較為明顯，但其增加幅度不如僅改變內涵入口壓力時明顯，變化規律類似。這是由于內涵氣流是影響湍流核心區的主要因素。

2.2 入口溫度對流程和聲場的影響

保持外涵溫度不變，通過改變內涵入口溫度，分別為650K、750K、845K和960K，來觀察入口溫度對流場的影響，從圖5中可以看出當內涵入口溫度增加時，流場速度整體呈增加趨勢，同時隨著溫度增加，流場湍流核心區的長度也隨之增大。

（a） T內=650K

（b） T內=750K

（c） T內=845K

（d） T內=960K

圖6是當NPR外=1.35，NPR內=1.8時改變入口溫度下的垂直平面監測點的總聲壓級分布圖，從圖中可以看出當內涵入口溫度增加時，總聲壓級整體增加，當內涵入口溫度每升高100K時，總聲壓級增加幅度為2-4dB，但是其空間分布的指向性沒有較大變化。這是由于入口溫度的改變影響著流場速度變化，而速度是直接影響總聲壓級的大小，所以當溫度升高時，總聲壓級也隨之均勻增加，同時可以發現雖然溫度發生變化，但總聲壓級分布指向性沒有變化。

圖6 不同入口溫度下垂直平面總聲壓級分布

3 結論

本文對分開排氣渦扇發動機排氣系統進行CFD/CAA的數值模擬，分析并討論了發動機內外涵入口壓比和內涵入口溫度參數對流場及聲場聲壓級分布的影響，主要結論如下：

（1）內涵氣流通過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涵高速氣流與周圍大氣混合。模型結構不變時，當內涵入口壓力增加，噴流湍流核心區長度有所增加，同時速度明顯增加，導致總聲壓級也隨之增加。由于速度的增加主要集中在湍流核心區，所以在-36°到36°區間內的總聲壓級增加明顯。相比較而言，外涵入口壓力的改變對聲壓級影響稍小一點。

（2）當內涵入口溫度增加時，流場速度呈增加趨勢，總聲壓級也整體增加。當內涵入口溫度每升高100K時，總聲壓級增加幅度為2-4dB，但是其空間分布的指向性沒有較大變化。

【參考文獻】

[1]陳懋章.劉寶杰.風扇/壓氣機氣動設計技術與挑戰.中國航空學會2007年學術年會.

[2]穆寧.航空聲學[M].北京航空航天大學出版社.1993：55-68.

[3]Silva C R I. Numerical and Empirical Approaches for Jet Noise Reduction Investigation of Co-Flow Effects[R].AIAA 2009-3405，2009.

[4]張正偉，張靖周，邵萬仁，等.外涵偏軸分開排氣噴管的流場和聲場數值計算. 航空動力學報.2012，27（5）：1139-1145.

[5]單勇，張靖周，邵萬仁，等.冠狀噴口抑制渦扇發動機噴流噪聲試驗和數值研究.航空學報.2013，34（5）：1046-1056.

[責任編輯：張濤]