[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

摘要

本发明公开了一种优化吸力面波系抑制风扇激波噪声的前缘设计方法，包括基元叶型前缘优化设计方法、基于基元叶型前缘优化设计的三维风扇叶片设计方法、基元叶型前缘优化设计结合弯掠造型的三维风扇或转子叶片设计方法，在已有的超声叶型基础上，通过快速改变前缘及吸力面形状，合理分配前缘点到E点间吸力面的气流转折角分布，从而优化吸力面上压缩波和膨胀波的分布，改善吸力面上波系与前伸激波的干涉作用，进而实现降低跨声风扇激波噪声的效果，可有效降低原始圆形前缘的超声叶型的激波噪声约1.5～3.5dB，可与弯掠三维造型技术相结合，兼顾近场和远场的降噪效果，具有较强的工程应用价值。

主权项

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 function transformation(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。