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航　空　学　报第29卷

上下功夫。航空技术先进国家都走了低速大尺寸途径,唯独中国未走!

312　设计理论、方法和设计体系需要改进与完善

(1)风扇噪声

(2)CFD与风扇/压气机设计体系的完善与

验证

作为当代风扇/压气机三维气动设计体系的

核心,CFD技术成为研制高性能风扇/压气机的关键手段之一。目前在风扇/压气机基础研究中已经开始采用三维非定常CFD技术,以及更为先进可靠的大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)等方法,但是由于计算资源的限制等问题,在未来相当长的一段时间内风扇/压气机的工程设计中三维定常CFD技术仍将起重要作用。20世纪90年代以来国内外在风扇/压气机的研制上开始广泛且深入地应用定常数值模拟技术,但在实践中三维定常CFD技术既带来过成功的经验,也有失败的教训,因此国外各大发动机研究机构都在不断发展和完善有源程序的风扇/压气机CFD软件,[18],中国风扇/压,因此在计,特别是对于多级压气机的,迫切需要向以自行发展的CFD软件转变,并重视以下3个方面的研究:

①湍流模型和LES

鉴于风扇/压气机内部的复杂流动情况,特别是多级压气机,未来相当时间也难以发展出普适的湍流模型,所以必须加强对现有湍流模型的适用性分析,校验各种情况下的计算精度,积累计算经验,提高风扇/压气机模拟的可靠性(噪声的可靠分析和预测强烈依赖CFD计算结果的可靠性)。此外,必须加强湍流转捩模型的研究与应用,因为它是准确模拟许多流动现象的关键。

由于难以发展出普适的湍流模型,且计算机能力提高很快,所以一段时期以来,国际上出现一种看法,即用LES和DES处理叶轮机内部复杂流动问题,其优点是:

a1避开了大尺度意义下的湍流模型问题,而可代之以亚格子尺度的模型模拟,这种模型对边界几何条件的相关性更低,具有更高的各向同性,因而有更高的通用性;现在甚至已有学者不用亚格子模型而直接截断。

b1本身是非定常的,因而对于处理叶轮机内转、静子之间固有的非定常问题具有先天的优势,对于研究动、静叶相互作用,如上游尾迹对下游边界层的非定常扫掠和转捩等问题也很自然。

这种方法是有前途的,但仍需解决一些难题,

美国和欧洲自20世纪60年代就开始展开风扇噪声产生与传播机理及控制方法的研究,经过几十年的研究,目前对风扇离散噪声产生的机理已有了相当深入的了解,特别是过去20年,在风扇离散噪声预测技术和控制技术上也取得了非常大的进展,使得当代高性能风扇的离散噪声及其前传噪声水平都大幅度降低。相比之下,在风扇宽频噪声的预测技术,以及风扇后传噪声的控制上还有相当大的潜力可挖,这自然成为美国和欧洲下一阶段相关研究的重点。

随着对风扇噪声设计水平要求的不断提高,国际上关于噪声应用基础研究的重点放在了结合先进的CFD技术,发展能够更为准确预测离散噪术上,以及各种先进降噪技术上,4个方面展开[16]:

的预测能力,CFD技术中的可行性。

②发展CFD技术与声传播和辐射计算技术的接口技术,以及从声源到远场的全声场预测技术。

③利用试验测量结果校验上述模型和技术。④发展低噪声风扇设计新概念、方法和设计技术。

为了能够给噪声分析和预测的各种理论模型和计算方法提供可靠的试验测量数据,国外为此发展了各种先进的测试技术。这些先进的测试技术,以及风扇噪声的预测分析方法,是中国未来建立和发展风扇噪声分析系统的理论和技术基础。长期以来,中国对民用大涵道比涡扇发动机的研究开展较少,对于风扇噪声的可靠预测分析方法和各种先进的降噪技术技术贮备不足,在这方面与国际先进水平存在相当大的差距,这是中国民用大涵比涡扇发动机研究亟待弥补的重要一课。为此,中国需要建立风扇噪声分析系统。

建立起风扇噪声分析系统以后,就可以将其与风扇的气动设计系统耦合在一起,发展建立风扇气动-噪声耦合分析系统,从而具备低噪声高性能大涵道比风扇的设计能力。