05-利用Actran软件对涡轮风扇发动机进口段声衬进行优化设计

用ACTRAN软件对涡轮风扇发动机的进口段声衬进行优化设计LysbethS.LieberHoneywellAerospacePhoenix,Arizona,USA大纲1、背景2、目标与途径3、掌握发动机的基本情况及优化声衬的工况参考点4、ACTRAN模型5、阻抗优化方法6、插入损失与优化的阻抗结果7、ACTRAN在声衬设计方面的应用8、ACTRAN的性能9、小结1、背景如今，为了追求高效率，民用涡扇发动机的涵道比越来越大，甚至于超出10，如此巨大的高速旋转风扇产生的噪声已经使喷流噪声处于一个弱势位置了，风扇噪声之大严重影响了机舱的舒适性，同时在起飞降落时对机场附近的居民也产生很大的噪音干扰。为了防止航空噪声危害旅客和城市居民的身体健康，美国FAA以及国际民航组织在民航公约中相继对飞机噪声作了严格的规定，指出所有进入美国及国际民航组织缔约国的飞机必须遵守该规定的噪声指标要求，不允许未达到噪声指标要求的飞机在其境内起飞降落。随着飞机技术的发展，这个噪声指标要求也越来越严格，因此飞机发动机设计时对声学性能也提出了越来越苛刻的要求。随着我国航空工业的发展，特别是进入90年代以来，干线飞机和新型支线客机的引进和研制工作开始实施，无论从独立研制还是联合研制的角度来讲，都必须开展对飞机进行声学设计的研究，如何使其符合噪声适航条例和满足座舱的噪声水平成为重要问题。图1涡扇发动机短舱声衬布置及声源示意图如何降低风扇/压气机噪声对外部环境的冲击一直存在着从声源和从传播途径入手两种方法。从声源入手就是从研究风扇/压气机噪声的产生机制入手，建立各种噪声预测模型，从而找出合适的方法来降低风扇/压气机噪声。这种方法需要针对噪声产生的机理进行研究，目的性强，效果也显著，例如通过调整转子和静子叶片的数目，从而达到声波的截止条件，使转静干涉噪声在传播过程中衰减，达到降噪目的，这种方法已经成为了压气机声学设计的一个首要方法。但是机匣包容下的风扇/压气机高速复杂流动使声源结构也非常复杂，直接模拟风扇/压气机真实工作条件下的声源非常困难，因此目前通过该方法降低声源噪声是有限的。通过控制噪声的传播途径降低风扇的辐射噪声是降低风扇噪声的另一个重要方法，发动机产生的噪声是通过进、排气道以及短舱向外传播的，如果能在其传播途径上设置吸声材料，就能够大大降低向外传播的噪声，图1是一个在外涵道进出口内壁面上都敷设了声衬的短舱示意图。要想有效控制噪声，就必须对噪声在管道内的传播和管口辐射进行研究，建立各种传播和辐射模型，因此管道声传播和辐射模型的研究在管道声学发展中始终占有重要地位。同时合理设计声衬使之达到最佳吸声效果也需要一个有效快速的噪声传播和辐射模型。在对涡轮风扇发动机的进口短舱声衬设计研究中，基本上已经有了一套比较传统的分析方法，见图2.前短舱除了进气锥部分，可以近似看成圆形管道，前短舱内的流动较简单，近似为轴向来流，由于管道几何形状变化引起的径向流动与轴向流动相比较小，所以在进行前短舱敷设声衬设计时只需要考虑轴向流动，常用的声衬优化设计理论模型有边界元、等价分布源和模态匹配模型等。发动机消声短舱设计*实验测量Ik发动机主要声源及1声源理论模型频率特性确定前短舱消声设计声衬消声量随声衬结构参数变化图2发动机消声短舱声学设计流程图基于只考虑轴向平均流及将管道看成等界面圆形管道的假设，而实际上管道声传播特性随着界面和内部流场变化而变化的，所以传统的声传播模型设计出的声衬在一定程度上并不是真正的最优结果。2、目标与途径2.1目标传统声传播模型存在着一些不足，为此，我们必须要寻找一种更加准确地方法去设计声衬。一种更精确的声学模型可以计算真实的变截面管道，其次管道流动工况也需要更加地接近真实情况。2.2途径用ACTRAN直接频域的方法来优化声衬阻抗。ACTRAN软件是基于用有限元和无限元方法结合起来求解声场的。♦首先，有限元法可以计算发动进口变截面几何形状模型，而不需要进行等界面圆管道假设。♦同时，ACTRAN里还自带了势流方程求解器。这样，可以求解管道内外复杂流场，并将其带入声学问题计算。♦最后，声学分析模块不仅能够反映声模态传播情况，还能计算远场辐射、声辐射能量损失等。

3、掌握发动机的基本情况及优化声衬的工况参考点3.1发动机的基本情况•HoneywellTech977涡轮风扇发动机的基本信息♦发动机结构见图3图3HoneywellTech977涡轮风扇发动机简图22个风扇转子。在大量的实验过程中，我们已经获得了一些比较准确可靠的声学实验数据。•发动机前短舱的声衬的基本情况，见图4。采用的是无缝隙声衬，即周向均匀连续的。具体被安装的位置。声衬长度0.325m声衬的内直径：0.85m声衬的结构参数是均匀分布的，即在计算中假定声衬表面的阻抗是统一的图4发动机前短舱的结构简图

3.2优化声衬的工况参考点声衬针对不同工况的吸声效果并不相同，航空噪音对周围影响主要是在飞机起飞和降落过程中，所以，我们在考虑声衬优化设计主要针对以下两种工况参考点:飞机降落过程中（发动机转速为55%N1C）和起飞过程中（发动机转速为85%N1C），具体参数见表1.表1发动机声衬设计工况参考点4、ACTRAN模型4.1计算空间由于航空发动机是旋转机构，前短舱声衬又为无缝隙（即周向是连续），所以这里我们把问题简化为轴对称二维情况考虑，计算几何模型及计算区域见图5.FiniteElement-lnfiwteEtementBoundasyIn^etDuctFtowpathBoundary图5计算模型及区域4.2传播模态在计算域中，声波可以分解为无数的模态叠加形式，有传播模态、衰减模态、截止模态，其中衰减和截止模态对发动机噪音影响较小，声衬的设计主要针对传播模态进行的。ACTRAN里面有一个CUTGET单元，专门用来计算确定声传播的径向模态和周向模态。在计算传播模态的时候，我们假定进气道是圆环形管道，最高的频率设置为4000Hz。下表2是两种工况情况下，算出的传播模态个数。

表2两种设计工况对应的传播模态数4.3计算网格ACTRAN对网格的要求也比较高，网格太密影响计算时间，网格太疏，将捕捉不到声波。由于在高频和高模态数情况，计算网格要求更加地密一点，为此，网格的生成主要由计算的最高频率和最高模态数来决定，同时在满足计算要求的网格密度情况下，尽量地减少不必要的网格密度。用PATRAN软件生成网格，见图6采用二维四边形单元采用标准网格生成器边界条件分别反映在网格的一维边线上。生成的网格总数317688个单元LinerAdmittanceBoundaryModalBasisBoundary图6计算区域的网格划分4.4流场分析•ACTRAN可压流场分析板块提供了势流方程求解器在求解声学对流波动方程之前必须先求解出计算区域的流场。需要计算起飞和降落两种工况的流场，分别见图7Approach(55%N1C)Takeoff(85%N1C)图7两种工况计算出的流场•求解声场的网格必须有足够的分辨度，来识计算区域的流场参数。一般来说，声场网格没有流场网格划分得密，声场网格的疏密度主要根据流场的变化情况，在流场参数变化比较大的地方，声场网格应该划分的密一点，在流场变化较平稳的地方，声场网格可以疏一点5、阻抗优化方法。选定声衬阻抗为计算变量，并针对不同阻抗值进行ACTRAN分析定义阻抗矩阵，里面存放所要计算的每一个阻抗值对阻抗矩阵中的每一个阻抗元素进行ACTRAN计算分析，其分析包含每个频率对应的所有传播模态分析在选定频率范围，设置多个频率观察点。对阻抗矩阵全部元素计算完毕后，将会得到声衰减量云图。声衰减主要是指风扇前传播经过声衬的能量损失在研究的频率范围内，针对每个频率都有一个对应声衰减云图。从云图中找到最优的阻抗谱最优阻抗在每个研究频率都会有一个相对很大的声衰减量。5.1阻抗矩阵图8阻抗矩阵元素设置阻抗的间距为0.5*pc，然后通过计算，从中找出最优的阻抗元素。如果必要的话，阻抗矩阵中的元素间距可以设为0.25*pc矩阵元素的间距低于0.25*pc，一般是没有必要的。主要由于声衬加工误差将覆盖掉优化矩阵的精度。5.2ACTRAN声学边界条件进口短舱声衬边界条件的设置输入对应短舱声衬位置参数输入声衬的阻抗值设置所研究频率范围的阻抗值不变。模态边界条件定义入射模态的强度假定每个入射模态的强度幅值相同。•远场处的边界条件设置流场为0，描绘静态实验条件激活能量评估的图标，从而可以计算出有限元和无限元交界面处的辐射能量，以及能量损失5.3ACTRAN分析针对每一种运行工况，ACTRAN都有一组计算分析。每一组中，每一个ACTRAN分析：♦选择一个阻抗值（来自阻抗矩阵的任意一个元素）♦分析对应声阻抗的所有传播模态♦分析对应声阻抗的所研究频率的声传播特性针对每一个研究频率和阻抗，都能计算出对应的插入损失。插入损失的计算公式见下：7Z=10.log］。（比血咖「^radiated）Wmident为进口边界上的入射声能量Wradiated为有限元与无限远交界面上的辐射总能量在计算声能量时，假定每个模态的能量相同，将所有传播模态的能量加起来，从而得到总能量。6、插入损失与优化的阻抗结果6.1在55%N1C时各个阻抗对应的插入损失见云图（图9—图13）图9500Hz通过频率对应插入损失云图图101000Hz通过频率对应插入损失云图

图112000Hz通过频率对应插入损失云图图124000Hz通过频率对应插入损失云图6.2在55%N1C转频时优化的阻抗谱图9500Hz通过频率对应插入损失云图图101000Hz通过频率对应插入损失云图图112000Hz通过频率对应插入损失云图图124000Hz通过频率对应插入损失云图从图9到图12,我们可以得到在55%N1C转频下，各个通过频率的最优阻抗值，见图13ACTRANPredictionofOptimumImpedance图13在55%N1C转频最优阻抗谱6.3阻抗公差分析我们这里所说的阻抗公差是指，当声波的插入损失误差控制在0.5db范围内，声衬的阻和抗围绕优化的准确结果上下波动的幅值。通过一些理论与经验，我们得出以下的公差带，能清楚地显示优化声衬阻抗值的上下浮动范围。见图14.图15在55%N1C转频优化阻抗公差带谱

随着通过频率的提高，优化阻抗基本上不再变化，阻抗公差带也将保持不变。通过以上图示和分析，我们不难发现，在高频情况下，最优化阻抗值的选取更加地宽限。6.485%N1C转频时优化阻抗谱•当85%N1C转频时最优化阻抗值可能没有被包含在以上的阻抗矩阵里，这时，我们需要将阻抗矩阵的范围放大，因此阻抗值下限应该减小。•在85%N1C时各个阻抗对应的插入损失见云图（图16到图17）图16500Hz通过频率对应插入损失云图图171000Hz通过频率对应插入损失云图7、ACTRAN在声衬设计方面的应用优化阻抗谱为发动机进口短舱的声衬设计提供了指导作用。每一个设计工况将得出一个阻抗谱，根据发动机设计工况参考点的多少，我们将得出几个阻抗谱图，然后再将几个图对比，选找最优的阻抗值。图16500Hz通过频率对应插入损失云图图171000Hz通过频率对应插入损失云图每一种声衬设计工具可以描述出声衬的种种物理特性。目标：尽可能获得最合适的阻抗，能够满足匹配各种研究工况，获得最佳的消声量。尽量保持阻抗在公差带范围之内，确保声衬的效果在最佳性能附近。8、ACTRAN性能描述以上的计算分析用的是ACTRAN10.2版本•直接的频域分析方法•两个处理器进行并行计算针对不同工况，每计算一次需要的时间，见表355胳NIC%NICNumberofElements3i7,aaaNumberofFrequ-encies1010MaximumNumberofPropagatingRadialModes57MaximumNumberofPropagaongCircumferendalModes31制ThroughputTime(Hit)0.0&.4表3ACTRAN计算的性能参数9、小结以上示范了基于ACTRAN软件优化设计发动机前短舱声衬的基本步骤及性能。•有这种方法设计有几个好处：建立复杂几何模型，不需要作出更多地假设，更加接近真实情况。♦附带有势流求解器，比较准确地求解出管道内外的流场分布。通过公差带的分析，更加可视化地找出