利用Actran軟件對(duì)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口段聲襯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、用ACTRAN軟件對(duì)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口段聲襯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)Lysbeth S. LieberHoneywell AerospacePhoenix, Arizona, USA大 綱1、背景2、目標(biāo)與途徑3、掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的基本情況及優(yōu)化聲襯的工況參考點(diǎn)4、ACTRAN 模型5、阻抗優(yōu)化方法6、插入損失與優(yōu)化的阻抗結(jié)果7、ACTRAN在聲襯設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用8、ACTRAN的性能9、小結(jié)1、背景如今，為了追求高效率，民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比越來越大，甚至于超出10，如此巨大的高速旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)使噴流噪聲處于一個(gè)弱勢(shì)位置了，風(fēng)扇噪聲之大嚴(yán)重影響了機(jī)艙的舒適性，同時(shí)在起飛降落時(shí)對(duì)機(jī)場(chǎng)附近的居民也產(chǎn)生很大

2、的噪音干擾。為了防止航空噪聲危害旅客和城市居民的身體健康，美國(guó)FAA 以及國(guó)際民航組織在民航公約中相繼對(duì)飛機(jī)噪聲作了嚴(yán)格的規(guī)定，指出所有進(jìn)入美國(guó)及國(guó)際民航組織締約國(guó)的飛機(jī)必須遵守該規(guī)定的噪聲指標(biāo)要求,不允許未達(dá)到噪聲指標(biāo)要求的飛機(jī)在其境內(nèi)起飛降落。隨著飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)噪聲指標(biāo)要求也越來越嚴(yán)格，因此飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)聲學(xué)性能也提出了越來越苛刻的要求。隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，特別是進(jìn)入90年代以來，干線飛機(jī)和新型支線客機(jī)的引進(jìn)和研制工作開始實(shí)施，無論從獨(dú)立研制還是聯(lián)合研制的角度來講，都必須開展對(duì)飛機(jī)進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)的研究，如何使其符合噪聲適航條例和滿足座艙的噪聲水平成為重要問題。 Acoustic

3、 liner圖1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙聲襯布置及聲源示意圖如何降低風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲對(duì)外部環(huán)境的沖擊一直存在著從聲源和從傳播途徑入手兩種方法。從聲源入手就是從研究風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)制入手，建立各種噪聲預(yù)測(cè)模型，從而找出合適的方法來降低風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪聲。這種方法需要針對(duì)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究，目的性強(qiáng)，效果也顯著，例如通過調(diào)整轉(zhuǎn)子和靜子葉片的數(shù)目，從而達(dá)到聲波的截止條件，使轉(zhuǎn)靜干涉噪聲在傳播過程中衰減，達(dá)到降噪目的，這種方法已經(jīng)成為了壓氣機(jī)聲學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)首要方法。但是機(jī)匣包容下的風(fēng)扇/壓氣機(jī)高速?gòu)?fù)雜流動(dòng)使聲源結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，直接模擬風(fēng)扇/壓氣機(jī)真實(shí)工作條件下的聲源非常困難，因此目前通過該方法降低聲

4、源噪聲是有限的。通過控制噪聲的傳播途徑降低風(fēng)扇的輻射噪聲是降低風(fēng)扇噪聲的另一個(gè)重要方法，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲是通過進(jìn)、排氣道以及短艙向外傳播的，如果能在其傳播途徑上設(shè)置吸聲材料，就能夠大大降低向外傳播的噪聲，圖1是一個(gè)在外涵道進(jìn)出口內(nèi)壁面上都敷設(shè)了聲襯的短艙示意圖。要想有效控制噪聲，就必須對(duì)噪聲在管道內(nèi)的傳播和管口輻射進(jìn)行研究，建立各種傳播和輻射模型，因此管道聲傳播和輻射模型的研究在管道聲學(xué)發(fā)展中始終占有重要地位。同時(shí)合理設(shè)計(jì)聲襯使之達(dá)到最佳吸聲效果也需要一個(gè)有效快速的噪聲傳播和輻射模型。在對(duì)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口短艙聲襯設(shè)計(jì)研究中，基本上已經(jīng)有了一套比較傳統(tǒng)的分析方法，見圖2. 前短艙除了進(jìn)氣錐部

5、分，可以近似看成圓形管道，前短艙內(nèi)的流動(dòng)較簡(jiǎn)單，近似為軸向來流，由于管道幾何形狀變化引起的徑向流動(dòng)與軸向流動(dòng)相比較小，所以在進(jìn)行前短艙敷設(shè)聲襯設(shè)計(jì)時(shí)只需要考慮軸向流動(dòng)，常用的聲襯優(yōu)化設(shè)計(jì)理論模型有邊界元、等價(jià)分布源和模態(tài)匹配模型等。發(fā)動(dòng)機(jī)消聲短艙設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要聲源及頻率特性確定實(shí)驗(yàn)測(cè)量聲源理論模型前短艙消聲設(shè)計(jì)壁面阻抗模型聲傳播模型（邊界元、模態(tài)匹配、傳遞單元）聲襯消聲量隨聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)變化聲襯消聲量隨聲襯結(jié)構(gòu)參數(shù)變化圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)消聲短艙聲學(xué)設(shè)計(jì)流程圖基于只考慮軸向平均流及將管道看成等界面圓形管道的假設(shè)，而實(shí)際上管道聲傳播特性隨著界面和內(nèi)部流場(chǎng)變化而變化的，所以傳統(tǒng)的聲傳播模型設(shè)計(jì)出的聲襯在一定

6、程度上并不是真正的最優(yōu)結(jié)果。2、目標(biāo)與途徑2.1目標(biāo)傳統(tǒng)聲傳播模型存在著一些不足，為此，我們必須要尋找一種更加準(zhǔn)確地方法去設(shè)計(jì)聲襯。一種更精確的聲學(xué)模型可以計(jì)算真實(shí)的變截面管道，其次管道流動(dòng)工況也需要更加地接近真實(shí)情況。2.2途徑l 用ACTRAN 直接頻域的方法來優(yōu)化聲襯阻抗。l ACTRAN軟件是基于用有限元和無限元方法結(jié)合起來求解聲場(chǎng)的。¨ 首先，有限元法可以計(jì)算發(fā)動(dòng)進(jìn)口變截面幾何形狀模型，而不需要進(jìn)行等界面圓管道假設(shè)。¨ 同時(shí)，ACTRAN里還自帶了勢(shì)流方程求解器。這樣，可以求解管道內(nèi)外復(fù)雜流場(chǎng)，并將其帶入聲學(xué)問題計(jì)算。¨ 最后，聲學(xué)分析模塊不僅能夠反映聲

7、模態(tài)傳播情況，還能計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)輻射、聲輻射能量損失等。3、掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的基本情況及優(yōu)化聲襯的工況參考點(diǎn)3.1發(fā)動(dòng)機(jī)的基本情況l Honeywell Tech977 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基本信息¨ 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3圖3 Honeywell Tech977 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖¨ 22個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。¨ 在大量的實(shí)驗(yàn)過程中，我們已經(jīng)獲得了一些比較準(zhǔn)確可靠的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。l 發(fā)動(dòng)機(jī)前短艙的聲襯的基本情況，見圖4。¨ 采用的是無縫隙聲襯，即周向均勻連續(xù)的。¨ 具體被安裝的位置。¨ 聲襯長(zhǎng)度0.325m¨ 聲襯的內(nèi)直徑：0.85m¨ 聲襯的

8、結(jié)構(gòu)參數(shù)是均勻分布的，即在計(jì)算中假定聲襯表面的阻抗是統(tǒng)一的圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)前短艙的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.2優(yōu)化聲襯的工況參考點(diǎn)聲襯針對(duì)不同工況的吸聲效果并不相同，航空噪音對(duì)周圍影響主要是在飛機(jī)起飛和降落過程中，所以，我們?cè)诳紤]聲襯優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)以下兩種工況參考點(diǎn)：飛機(jī)降落過程中（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為55% N1C）和起飛過程中（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為85% N1C），具體參數(shù)見表1.表1 發(fā)動(dòng)機(jī)聲襯設(shè)計(jì)工況參考點(diǎn)4、ACTRAN 模型4.1計(jì)算空間由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，前短艙聲襯又為無縫隙（即周向是連續(xù)），所以這里我們把問題簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱二維情況考慮，計(jì)算幾何模型及計(jì)算區(qū)域見圖5.圖5 計(jì)算模型及區(qū)域4.2傳播模態(tài)在計(jì)算

9、域中，聲波可以分解為無數(shù)的模態(tài)疊加形式，有傳播模態(tài)、衰減模態(tài)、截止模態(tài)，其中衰減和截止模態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音影響較小，聲襯的設(shè)計(jì)主要針對(duì)傳播模態(tài)進(jìn)行的。ACTRAN里面有一個(gè)CUTGET單元，專門用來計(jì)算確定聲傳播的徑向模態(tài)和周向模態(tài)。在計(jì)算傳播模態(tài)的時(shí)候，我們假定進(jìn)氣道是圓環(huán)形管道，最高的頻率設(shè)置為4000Hz。下表2是兩種工況情況下，算出的傳播模態(tài)個(gè)數(shù)。表2 兩種設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)的傳播模態(tài)數(shù)4.3計(jì)算網(wǎng)格l ACTRAN對(duì)網(wǎng)格的要求也比較高，網(wǎng)格太密影響計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格太疏，將捕捉不到聲波。由于在高頻和高模態(tài)數(shù)情況，計(jì)算網(wǎng)格要求更加地密一點(diǎn)，為此，網(wǎng)格的生成主要由計(jì)算的最高頻率和最高模態(tài)數(shù)來決定，同時(shí)

10、在滿足計(jì)算要求的網(wǎng)格密度情況下，盡量地減少不必要的網(wǎng)格密度。l 用PATRAN軟件生成網(wǎng)格，見圖6¨ 采用二維四邊形單元¨ 采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格生成器¨ 邊界條件分別反映在網(wǎng)格的一維邊線上。l 生成的網(wǎng)格總數(shù)317688個(gè)單元圖6 計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分4.4流場(chǎng)分析l ACTRAN可壓流場(chǎng)分析板塊提供了勢(shì)流方程求解器¨ 在求解聲學(xué)對(duì)流波動(dòng)方程之前必須先求解出計(jì)算區(qū)域的流場(chǎng)。¨ 需要計(jì)算起飛和降落兩種工況的流場(chǎng)，分別見圖7圖7 兩種工況計(jì)算出的流場(chǎng)l 求解聲場(chǎng)的網(wǎng)格必須有足夠的分辨度，來識(shí)計(jì)算區(qū)域的流場(chǎng)參數(shù)。一般來說，聲場(chǎng)網(wǎng)格沒有流場(chǎng)網(wǎng)格劃分得密，聲場(chǎng)網(wǎng)格

11、的疏密度主要根據(jù)流場(chǎng)的變化情況，在流場(chǎng)參數(shù)變化比較大的地方，聲場(chǎng)網(wǎng)格應(yīng)該劃分的密一點(diǎn)，在流場(chǎng)變化較平穩(wěn)的地方，聲場(chǎng)網(wǎng)格可以疏一點(diǎn)5、阻抗優(yōu)化方法。l 選定聲襯阻抗為計(jì)算變量，并針對(duì)不同阻抗值進(jìn)行ACTRAN分析l 定義阻抗矩陣，里面存放所要計(jì)算的每一個(gè)阻抗值l 對(duì)阻抗矩陣中的每一個(gè)阻抗元素進(jìn)行ACTRAN計(jì)算分析，其分析包含¨ 每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的所有傳播模態(tài)分析¨ 在選定頻率范圍，設(shè)置多個(gè)頻率觀察點(diǎn)。l 對(duì)阻抗矩陣全部元素計(jì)算完畢后，將會(huì)得到聲衰減量云圖。¨ 聲衰減主要是指風(fēng)扇前傳播經(jīng)過聲襯的能量損失¨ 在研究的頻率范圍內(nèi)，針對(duì)每個(gè)頻率都有一個(gè)對(duì)應(yīng)聲衰減云圖

12、。l 從云圖中找到最優(yōu)的阻抗譜¨ 最優(yōu)阻抗在每個(gè)研究頻率都會(huì)有一個(gè)相對(duì)很大的聲衰減量。5.1阻抗矩陣l 阻抗元素排列成矩陣形式，如圖8所示，橫坐標(biāo)表示抗，縱坐標(biāo)表示阻。圖8 阻抗矩陣元素l 設(shè)置阻抗的間距為0.5*c，然后通過計(jì)算，從中找出最優(yōu)的阻抗元素。l 如果必要的話，阻抗矩陣中的元素間距可以設(shè)為0.25*c¨ 矩陣元素的間距低于0.25*c，一般是沒有必要的。¨ 主要由于聲襯加工誤差將覆蓋掉優(yōu)化矩陣的精度。5.2 ACTRAN 聲學(xué)邊界條件l 進(jìn)口短艙聲襯邊界條件的設(shè)置¨ 輸入對(duì)應(yīng)短艙聲襯位置參數(shù)¨ 輸入聲襯的阻抗值¨ 設(shè)置所研

13、究頻率范圍的阻抗值不變。l 模態(tài)邊界條件¨ 定義入射模態(tài)的強(qiáng)度¨ 假定每個(gè)入射模態(tài)的強(qiáng)度幅值相同。l 遠(yuǎn)場(chǎng)處的邊界條件¨ 設(shè)置流場(chǎng)為0，描繪靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件¨ 激活能量評(píng)估的圖標(biāo)，從而可以計(jì)算出有限元和無限元交界面處的輻射能量，以及能量損失5.3 ACTRAN分析l 針對(duì)每一種運(yùn)行工況，ACTRAN都有一組計(jì)算分析。l 每一組中，每一個(gè)ACTRAN分析：¨ 選擇一個(gè)阻抗值（來自阻抗矩陣的任意一個(gè)元素）¨ 分析對(duì)應(yīng)聲阻抗的所有傳播模態(tài)¨ 分析對(duì)應(yīng)聲阻抗的所研究頻率的聲傳播特性l 針對(duì)每一個(gè)研究頻率和阻抗，都能計(jì)算出對(duì)應(yīng)的插入損失。

14、l 插入損失的計(jì)算公式見下：¨ Wincident為進(jìn)口邊界上的入射聲能量¨ Wradiated為有限元與無限遠(yuǎn)交界面上的輻射總能量¨ 在計(jì)算聲能量時(shí)，假定每個(gè)模態(tài)的能量相同，將所有傳播模態(tài)的能量加起來，從而得到總能量。6、插入損失與優(yōu)化的阻抗結(jié)果6.1在55% N1C時(shí)各個(gè)阻抗對(duì)應(yīng)的插入損失見云圖（圖9圖13） 圖9 500Hz通過頻率對(duì)應(yīng)插入損失云圖 圖10 1000Hz通過頻率對(duì)應(yīng)插入損失云圖圖11 2000Hz通過頻率對(duì)應(yīng)插入損失云圖 圖12 4000Hz通過頻率對(duì)應(yīng)插入損失云圖6.2在55% N1C轉(zhuǎn)頻時(shí)優(yōu)化的阻抗譜從圖9到圖12，我們可以得到在55%

15、N1C轉(zhuǎn)頻下，各個(gè)通過頻率的最優(yōu)阻抗值，見圖13圖13 在55% N1C轉(zhuǎn)頻最優(yōu)阻抗譜6.3阻抗公差分析l 我們這里所說的阻抗公差是指，當(dāng)聲波的插入損失誤差控制在0.5db范圍內(nèi)，聲襯的阻和抗圍繞優(yōu)化的準(zhǔn)確結(jié)果上下波動(dòng)的幅值。通過一些理論與經(jīng)驗(yàn)，我們得出以下的公差帶，能清楚地顯示優(yōu)化聲襯阻抗值的上下浮動(dòng)范圍。見圖14.圖15 在55% N1C轉(zhuǎn)頻優(yōu)化阻抗公差帶譜l 隨著通過頻率的提高，優(yōu)化阻抗基本上不再變化，阻抗公差帶也將保持不變。l 通過以上圖示和分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，在高頻情況下，最優(yōu)化阻抗值的選取更加地寬限。6.4 85% N1C轉(zhuǎn)頻時(shí)優(yōu)化阻抗譜l 當(dāng)85% N1C轉(zhuǎn)頻時(shí)最優(yōu)化阻抗值可能沒

16、有被包含在以上的阻抗矩陣?yán)?，這時(shí)，我們需要將阻抗矩陣的范圍放大，因此阻抗值下限應(yīng)該減小。l 在85% N1C時(shí)各個(gè)阻抗對(duì)應(yīng)的插入損失見云圖（圖16到圖17）圖16 500Hz通過頻率對(duì)應(yīng)插入損失云圖 圖17 1000Hz通過頻率對(duì)應(yīng)插入損失云圖7、ACTRAN在聲襯設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用l 優(yōu)化阻抗譜為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口短艙的聲襯設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用。每一個(gè)設(shè)計(jì)工況將得出一個(gè)阻抗譜，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工況參考點(diǎn)的多少，我們將得出幾個(gè)阻抗譜圖，然后再將幾個(gè)圖對(duì)比，選找最優(yōu)的阻抗值。l 每一種聲襯設(shè)計(jì)工具可以描述出聲襯的種種物理特性。l 目標(biāo)：盡可能獲得最合適的阻抗，能夠滿足匹配各種研究工況，獲得最佳的消聲量。

17、8; 盡量保持阻抗在公差帶范圍之內(nèi)，確保聲襯的效果在最佳性能附近。8、ACTRAN性能描述l 以上的計(jì)算分析用的是ACTRAN 10.2版本l 直接的頻域分析方法l 兩個(gè)處理器進(jìn)行并行計(jì)算l 針對(duì)不同工況，每計(jì)算一次需要的時(shí)間，見表3表3 ACTRAN計(jì)算的性能參數(shù)9、小結(jié)l 以上示范了基于ACTRAN軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)前短艙聲襯的基本步驟及性能。l 有這種方法設(shè)計(jì)有幾個(gè)好處：¨ 建立復(fù)雜幾何模型，不需要作出更多地假設(shè)，更加接近真實(shí)情況。¨ 附帶有勢(shì)流求解器，比較準(zhǔn)確地求解出管道內(nèi)外的流場(chǎng)分布。¨ 通過公差帶的分析，更加可視化地找出阻抗值。參考文獻(xiàn)Schuster, B., Liebe