模擬助力減少航空發動機渦輪風扇的雜訊

飛機渦輪發動機中的渦輪風扇是主要的飛行雜訊源之一。過量的雜訊可能會引發一系列健康問題，例如聽力障礙、睡眠紊亂和壓力疾病。聲學建模可以幫助您優化渦輪風扇發動機的設計，減少噪音污染及其負面影響。我們將通過噴射管教程模型，闡明使用聲學建模方法的好處。

為什麼降噪對於渦輪風扇發動機很重要

如果您乘坐過商用飛機，所在的航班很可能是由渦輪風扇發動機驅動的。渦輪風扇發動機的工作原理是：將部分捕獲的空氣送入壓縮機，空氣經壓縮後進入燃燒室，和燃料混合燃燒，排出燃氣可產生飛行推力。

近年來，渦輪風扇發動機的設計得到了極大改進，尤其是降噪。知道為什麼嗎？再次想像一下你正在乘坐飛機——發動機一路在耳邊喧囂可不是什麼愉快的經歷。對於機場附近的居民來說，飛機著陸和起飛時的巨大噪音會擾亂睡眠作息。因此，降低飛機及其發動機產生的噪音成為了航空業關注的焦點。

減少航空發動機渦輪風扇的過量噪音為解決該問題提供了一個可行的思路。利用 COMSOL Multiphysics? 軟體，您可以分析和優化渦輪風扇發動機的輻射雜訊，從而實現降噪目標。為了演示具體的操作流程，我們來看一看簡化的噴射管教學模型。

通過分析風扇雜訊優化渦輪風扇發動機的設計

為了高效地分析渦輪風扇航空發動機，我們可以專註於具體的設計單元。在此例中，研究對象是航空發動機渦輪風扇中的環形流管造成的噪音輻射。首先建立一個軸對稱模型幾何，使其對稱軸與發動機的中心線重合。模型幾何模擬的是噴氣發動機的出口噴嘴（參考上文的示意圖）。下方示意圖中的灰色區域為噴嘴中的發動機內部。該模型顯然大大簡化了幾何，將重點放在物理原理和模型建立上。

在此模型中，空氣在流管內外流動，表現為均勻平均流，內部的馬赫數為 M1 = 0.45，外部為 M0 = 0.25，分別對應第一張示意圖中的紅色和粉色區域。由於發動機周圍的空氣速度比射流內的空氣速度更慢，因此渦流層（由上圖中的虛線表示）會產生噴射氣流層，將沿管道壁延長部分的氣流分隔開。利用模型，我們可以計算渦流層兩側的近場流動。

在求解噴射管模型時，我們使用「聲學模塊」中的線性勢流，頻域 介面來描述流動流體中的聲波。然而，有一點必須注意：場方程只有在處理無旋速度場時才有效。渦流層的情況則不同，它具有不連續的速度勢。為了對這種不連續性進行模擬，我們對內部邊界施加了內置「渦片」邊界條件。至於流管內的聲場，我們使用了在流管內傳播然後輻射到自由空間的特徵模式總和對其進行描述。在此類模擬中建立源時，這是一種常用方法。

在此研究中，我們利用邊界模式分析尋找入口源。第一步是研究周向波數 （m = 4，17 及 24），並生成各種與不同徑向模式數相對應的特徵模式。第二步是將三個特徵模式用作管道內的入射波：（m,n）=（4, 0）、(17，1)及（24，1）。結果表明，給定 m 的最大特徵值對應於徑向模式 n = 0。同時，最小特徵值對應於 n = 1。

作為分析的一部分，我們還研究了源速度勢。如下圖所示，我們使用了一個旋轉幾何體，並引入了周向波數對空間形狀的貢獻。

比較模擬結果與現有文獻

為了增加對分析結果的信心，我們將模擬結果與論文「Theoretical Model for Sound Radiations from Annual Jet pipes: Far- and Near-field Solution」（參見模型文檔中的參考文獻 1）的結果進行了比較。舉例來說，下圖顯示了模擬研究中不同源特徵模式產生的近場壓力。所有求解結果均基於管道內 M1 = 0.45 的馬赫數和管道外 M0 = 0.25 的馬赫數。

此外，我們分析了近場聲壓級和旋轉幾何的近場壓力。兩項研究的結果分別突出顯示在下方兩張繪圖中。

通過對模擬結果與上文的現有文獻進行比較，我們進一步證實了模擬結果的有效性。這種準確性證明了使用 COMSOL Multiphysics 有助於減少渦輪風扇發動機設計中的噪音污染，促進航空業取得重大進步。

經授權轉載自 cn.comsol.com/blogs，原作者 Caty Fairclough 。