CN111523219B - 一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法 - Google Patents

一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法,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，分解湍流脉动速度构成成分，获得影响风扇、压气机转静干涉宽频噪声的背景湍流强度、中心线湍流强度、湍流宽度和湍流积分尺度等特征参数;本发明与传统风扇、压气机宽频噪声影响参数获得方法不同，本发明不需要进行试验测量，能根据数值模拟方法得到的流场结果，直接得到风扇、压气机宽频噪声影响参数，进而降低经济成本和时间成本。

Description

一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法
技术领域
本发明涉及航空航天领域，具体涉及到一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法。
背景技术
现代高性能飞机普遍采用涡轮风扇发动机来提供动力，涡轮风扇发动机工作时，风扇、压气机的转子叶片高速旋转，通过对气流进行做工来实现气流的加速和增压。由于粘性的存在，气流会在风扇、压气机的转子叶片与静子叶片表面产生附面层，当气流沿叶片向下游发展，受到逆压梯度的影响，附面层厚度会进一步增大甚至产生分离，从而导致旋涡的产生。当气流分别从转子/静子的叶背和叶盆流到叶型尾缘处，叶片两侧的附面层汇合成为尾迹，气流中的旋涡脱落并在尾迹中进一步发展。当大气中本身包含的湍流干扰以及流动中形成的旋涡等非定常流动结构与下一级叶片作用时，会产生高强度的宽频噪声。这种高强度的宽频噪声会造成噪声污染，影响机上人员的健康，并且严重威胁航空发动机和机载设备的结构安全。因此，获得影响转静干涉宽频噪声的特征参数对深入理解风扇、压气机宽频噪声产生机理与控制方法具有重要意义。
当前主要是采用试验方法，在风扇、压气机转子出口利用热线风速仪、激光多普勒测速仪等试验设备，直接测量转子后尾迹中的湍流脉动速度等信息。但是试验方法需要在前期进行投入大量时间成本和经济成本进行试验台的建设、模型准备、测试技术构建等工作，而且测点位置受到测试方法和测试设备的限制，难以做到全流场测量。因此，采用数值模拟方法，分析转静干涉中非定常流动结构，分离风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数成为了研究重点。
商业流场数值模拟软件普遍应用于叶轮机械的数值仿真，如NUMECA、Fluent、CFX等，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，无法直接计算出研究风扇、压气机转静干涉宽频噪声所需的湍流脉动速度、湍流积分尺度等信息，无法进行风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响因素分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法，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，分解湍流脉动速度构成成分，获得影响风扇、压气机转静干涉宽频噪声的背景湍流强度、中心线湍流强度、湍流宽度和湍流积分尺度等特征参数。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:建立风扇、压气机流场参考面；
S2:计算参考面上垂直于尾迹的湍流脉动速度；
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；
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。
在上述技术方案中，所述S1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 SMS_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。
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大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 SMS_2
当为SST湍流模型计算流场，湍流积分尺度
Figure SMS_3
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：
本发明能够从流场结果中计算出风扇、压气机宽频噪声影响参数——湍流积分尺度、背景湍流强度、中心线湍流强度和湍流宽度，为进一步分析风扇、压气机噪声提供切入点；
本发明与传统风扇、压气机宽频噪声影响参数获得方法不同，本发明不需要进行试验测量，能根据数值模拟方法得到的流场结果，直接得到风扇、压气机宽频噪声影响参数，进而降低经济成本和时间成本。
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流场参考面；
图2参考面上湍流脉动速度云图；
图3截取垂直于转子尾迹的湍流脉动速度示意图；
图4截取位置处若干点的三维坐标和湍流脉动速度；
图5参考面上湍流积分尺度云图(k-epsilon湍流模型)；
图6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7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8参考面上湍流积分尺度云图(SST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(SST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(SST湍流模型)。
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
本实施例在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1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 SMS_4
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2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3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4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 SMS_5
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5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6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7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 SMS_6
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8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9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10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。
l)计算数组中的最大值，作为影响宽频噪声的湍流积分尺度。
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 (6)

1.一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:建立风扇、压气机流场参考面；
S2:计算参考面上垂直于尾迹的湍流脉动速度;
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;
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：
当为k-epsilon湍流模型计算流场时，湍流积分尺度
Figure QLYQS_1
，
当为SST湍流模型计算流场，湍流积分尺度
Figure QLYQS_2
，
其中k为湍动能，
Figure QLYQS_3
为湍动能耗散率，
Figure QLYQS_4
为单位体积单位时间能量的耗散率。
2.根据权利要求1所述的一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法，其特征在于所述S1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。
3.根据权利要求1所述的一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法，其特征在于在S2中，定义湍流脉动速度
Figure QLYQS_5
，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。
4.根据权利要求3所述的一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法，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。
5.根据权利要求3所述的一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法，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。
6.根据权利要求3所述的一种典型风扇、压气机转静干涉宽频噪声影响参数计算方法，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。
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