[发明专利]一种优化吸力面波系抑制风扇激波噪声的前缘设计方法

权利要求书

1.一种优化吸力面波系抑制风扇激波噪声的前缘设计方法，其特征在于：所述前缘设计方法包括以下步骤：

1)原始叶型的数值模拟：采用定常CFD方法获得计算激波噪声的流场数据；具体地，针对原始叶型展开准二维雷诺平均NS(RANS)方程数值模拟；其中，所述数值模拟使用高精度monotonic upstream-centered scheme for conservation laws(MUSCL)格式，所采用的计算网格足够密，保证每个激波波长内网格点数不低于30个；所述数值模拟中进口设置有拉伸网格吸收层，并采用无反射边界条件；通过平移叶型所在的叶片通道上壁面来模拟真实转子情况；所述平移的速度根据设计马赫数计算得到；所述叶片通道上壁面设置为滑移的绝热壁面，进口给定总温和总压，出口反压设置足够小以保证激波不发生脱体；

2)原始叶型的激波噪声计算：绘制网格节点分布较流体计算网格稀疏的声学网格，具体地，所述声学网格每个激波波长内网格数应大于8；将数值模拟所得流场中静压p、密度ρ，三个方向的绝对速度u,v,w数据插值到声学网格中，具体地，所述插值方式使用二阶精度的反距离加权插值法；使用非定常流体中的声强公式对噪声声强进行计算，其中分别是速度矢量、轴向速度、压力、密度的时间平均量，γ为比热比，v'、u′、p′分别是速度矢量、轴向速度和压力的扰动量，对轴向截面S积分得到声功率依据理想转子激波系随转子同步旋转的特性，将时间扰动量转化为空间扰动量，在圆柱坐标系下，轴向位置x处的声功率最终计算公式为：其中B为转子的叶片数或计算域内叶栅的通道数，R_h(x)和R_s(x)分别表示轮毂和机匣半径；

3)计算原始叶型E点的相对位置：利用步骤1)中数值模拟所得的相对马赫数云图，确定E点的位置；其中，所述E点为发出极限特征线的点；所述极限特征线为吸力面上与相邻叶片前缘点相交的膨胀波；

4)叶型的局部拟合：截取E点前的叶型，采用class function/shape functiontransformation(CST)方法进行拟合；其中，所述CST方法对应的公式为所截取E点前的叶型截断处吸力面和压力面两点间距离为W，两点中点到前缘点的距离为C，采用C对截取叶型进行无量纲，得到无量纲叶型坐标ψ和ζ，尾缘厚度Δ(ζ)＝W/2C，N₁和N₂分别为控制前缘与尾缘的类参数，对于圆形前缘N₁＝0.5，N₂＝1；S(ψ)为形函数，使用加权的Bernstein多项式，即α_i为权重系数，选取合适的拟合阶数n及拟合起始点h，拟合阶数n在10以上，拟合起始点h的范围为5～10，n和h的最佳值与原始叶型的形状，以及截取的拟合长度，即E点的位置有关；

5)前缘和吸力面的初步优化：通过调整前缘拟合参数N₁可简单快速地改变前缘和吸力面的形状；所述前缘拟合参数N₁取值范围为0.5～1，存在最佳的N₁值使吸力峰的强度最优，激波噪声最小；不同的叶型最佳N₁值略有差异，与超声叶型设计马赫数有关，在0.65～0.75之间；使用遍历方法寻找最佳N₁值，从0.6逐步增加N ₁值，每次增量为0.05，将变N₁值所得到的E点前半段叶型与原始的后半段叶型进行拼合得到完整的新叶型，按步骤1)和步骤2)所述方法计算变N₁值后的叶型流场和激波噪声，继续增加N₁值，直到叶型的激波噪声不再减小，确定最佳的N₁值；

6)计算具有最佳N₁值的新叶型的中和点相对位置：利用步骤5)中所得叶型数值模拟得到的相对马赫数云图，判断中和点位置；其中，所述中和点为发出中和特征线的点，所述中和特征线为吸力面上与前伸激波平行的膨胀波，中和点的位置在E点和前缘点的中点附近；

7)前缘和吸力面的精细优化：调整a_i(i＝0,1…n)值对叶型进行进一步优化，调整拟合阶数i逐步增加中和点附近的叶型厚度，将部分膨胀波后移至中和点和E点间，使吸力面上膨胀波的分布最优；按步骤1)和步骤2)所述方法计算变a_i值后的叶型的流场和激波噪声；提取新叶型吸力面表面的静压分布，观察在吸力峰后叶片表面静压是否持续下降；若否，继续调整a_i值，迭代优化直到满足要求；

8)按步骤1)和步骤2)所述方法计算最终优化后叶型的流场和激波噪声，并与原始叶型进行对比，分析降噪效果，完成基元叶型前缘优化。