23-ACTRAN TM与ACTRAN DGM互相验证：二维数值模型的研究

图 9 进近和返场工况下的主要传播模态及通过频率
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根据发动机特定工况下的转速、涡轮叶片数目、流动参数等条件，可以根据 气动声学相关理论得到主要传播模态及传播频率。图 9 所示为传播模态及频率。 3、平均流参数(尾喷口处的参数，包括进近及返场工况)
图 10 流动参数 4、网格参数
图 11 网格参数
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Rung-Kutta 时间格式结合的方法求解线化欧拉方程（LEE） 。它可以模拟包含旋 流和非等温条件下的短舱排气噪声传播问题。 在排气噪声问题中很大的一个难题 是怎么处理声波通过比较大的速度和温度梯度剪切层的问题。 因为声源在这些剪 切层的里会激发放大或者中性不稳定波， 不稳定波在向下游传播的过程中将会导 致声波的产生并辐射到远场。在 DGM 模块中求解的是线化欧拉方程，可以很方 便的处理这种剪切层的问题。在排气噪声为题方面，ACTRAN/DGM 的计算能力 在 MESSIAEN、TURNEX 等项目上已经得到验证。 但是 ACTRAN/DGM 求解的线化欧拉方程是一种时域求解的方法，这种方 法的最大弱点是计算时间太长。 因此在工程问题上我们希望有一种快速的、同时 求解精度可以接受的方法。 （2）ACTRAN/TM 模块是专门求解旋转机械的噪声问题。在航空发动机上 主要是求解风扇的前传/后传声问题。它可以处理包含平均势流和非平均温度场 以及包含声衬边界的问题。 它可以在一次计算中同时加载多个声源激励，这中技 术能力在工程上可以大大节省计算时间。在短舱的排气噪声问题中，国外的研究 者使用“Membrane element”来定义剪切层，这种方法的求解精度取决于 “Membrane element”的形状是否和真实的剪切层一致。 从 2009 年以后的版本开始，ACTRAN/TM 已经包含了“Moehring”求解器。 它在包含非均匀流动和温度场的声传播计算中有完美的表现。 尽管已经有些人使 用“Moehring”方法做过一些研究，但都是在一些低马赫数（Ma<0.1）的情况下的
图 17ACTRAN/TM 与 ACTRAN/DGM 求解模块的远场指向性结果对比（返场）
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图 17 为高阶模态下两种求解模块的远场指向性结果对比。结果显示从 100° 位置开始出现一些结果差异。在其它位置结果对比良好。 （四）多个模态叠加的结果(10,1-4)，起飞后返场工况。
图 18ACTRAN/TM 与 ACTRAN/DGM 求解模块的远场指向性结果对比（返场） 图 18 为高阶模态下两种求解模块的远场指向性结果对比。周向模态为 10， 径向模态从 1 到 4 的所有模态叠加。结果显示从 100° 位置开始出现一些结果差 异。在其它位置结果对比良好。 以上所有的计算的频率均为航空发动机在降落时进近及起飞后返场工况下 的叶片通过频率。
图 1 MTU 航空发动公司总部，德国摹尼黑 MTU 公司所参与的航空发动机项目主要涉及到航空发动机的压气机、涡轮 这两大部件。采用 MTU 航空发动机公司的部件的发动机型号如下； 低压级压气机：JT8D 高压级压气机：PW600\1000G\800 高压级涡轮：PW2000，CF6，JT8D，GP7000 低压级涡轮：PW4000 Growth\6000\1000G\300\500\2000，GP7000，JT8D，V2500
三、ACTRAN 两个求解模块结果相互对比的目的
本文将 ACTRAN/TM 和 ACTRAN/DGM 模块进行对比主要是基于以下的理 由； （1）ACTRAN/DGM 是专门预测短舱排气噪声辐射的求解模块。它的程序 主 要是基于间断伽辽金方法（Discontinuous Galerkin Method）和 4 步
图 4 现代航空发动机各部分噪声示意图
图 5 涡轮噪声辐射问题示意图
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ACTRAN 是当今市场上最完善的声学模拟软件。基于有限元和无限元方法 的通用技术，ACTRAN 提供了丰富的单元库、材料库、边界条件、求解配置和 求解器。ACTRAN 在航空声学领域已经被证明是一种快速、精确的声学模拟软 件。
图 6ACTRAN 的计算流程图
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五、模型特征
模型特征主要有以下几个部分； 几何及维数特征： ——排气噪声需要考虑现代发动机全尺度几何尺寸的模拟 ——本文中的计算模型是一个二维轴对称模型 工况点、频率及声模态 ——考虑真实的降落时进近和起飞时飞越（返场）的工况条件 ——在叶片的每个通过频率下，可以解析出有那些声模态是可以传播。声模 态是由最后的一级涡轮转子所产生的。
六、计算结果
计算结果主要包括以下几个部分； 流场结果。 采用 RANS 模型计算，并将其插值到声场网格上。 声场结果 单模态的结果 ——近场的云图结果（声压） ——远场辐射的结果（46 米远场处的辐射声压级指向性图） 多模态叠加的结果 ——远场辐射的结果（46 米远场处的辐射声压级指向性图）
图 3 航空发动机的噪声示意图 图4为现代典型的涡扇发动机的各部分噪声示意图，从图中可以看到，现代 的大涵道比涡轮风扇发动机中风扇的前传/后传噪声和喷流噪声占有主导地位， 其次就是发动机内部的涡轮/燃烧室及压气机向外辐射的噪声。目前在风扇的前 传/后传噪声的控制方面有许多比较成熟的技术：一方面可以从声源着手，根据
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一些验证。从实际应用的观点来看，如何用“Moehring”方法来进行声波通过比较 大的速度梯度和温度梯度的剪切层的传播模拟， 在航空发动机涡轮噪声的研究中 有很重要的意义。 本文同时采用 ACTRAN/TM 和 ACTRAN/DGM 模块求解排气中的涡轮噪声 问题。以专业求解排气噪声问题的软件——ACTRAN/DGM 的结果作为参照，用 它来验证 ACTRAN/TM 在计算排气噪声问题的能力。
图 12 流场结果（插值到声学网格后的结果）
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1、流场结果 背景流场计算，依赖于 CFD 计算网格。如果流场不考虑粘性的话，可以使 用 ACTRAN 中自带的程序来计算。更加准确的流场结果可以使用其它主流的 CFD 商业程序来计算。本文结果基于 RANS 模型，并将其插值到声场网格上。 如上图 12 所示的结果。 2、声场的结果 （一）声源为单模态的数值结果，降落时进近工况。ACTRAN/TM(Moehring) 方法和 ACTRAN/DGM 方法结果对比。
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图 15 ACTRAN/TM 与 ACTRAN/DGM 求解模块的远场指向性结果对比（返场）
图 16ACTRAN/TM 与 ACTRAN/DGM 求解模块的云图结果对比（返场） 图 15、 16 为两种结果对比结果， 从指向性图及云图结果来看对比结果良好。 （三） 声源为单模态的数值结果， 起飞后返场工况。 ACTRAN/TM(Moehring) 方法和 ACTRAN/DGM 方法结果对比。高阶径向或者周向模态。
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气动声学的相关理论合理的选择风扇的转子、静子数目，从而使声波在叶片通过 频率处满足“截止”条件，有效的降低声波的能量；另一方面可以采取抑制声波的 传播和向外辐射的途径。 在工程上一般采用合理的设计消声短舱来控制噪声的传 播。 使用消声短舱来降噪的核心技术是如何设计合理、 且有效的消声部件——声 衬。在声衬的研究方面国内外的工程技术人员都做了大量的工作。同时，大涵道 比涡轮风扇发动机的广泛使用有效地降低了喷流速度， 使得喷流噪声得到了一定 的控制。 因此在航空发动机噪声的诸多成分中，航空发动机排气过程中的涡轮噪 声问题越来越受到重视。 本文的工作主要关注涡轮噪声辐射问题，如图5所示。现代航空发动机设计 过程中需要对各种飞行工况下的噪声进行评估，包括降落时进近和起飞（例如飞 越—返场）工况条件下的噪声对机场环境的影响。本文的工作主要是研究这两种 工况条件下的涡轮噪声的环境影响。 相关降噪技术的成功运用使得航空发动机进一步的降噪变得越来越困难。 对 工程设计人员来说， 需要有更加精确的声学设计工具来帮助进一步降低航空发动 机的噪声水平。
平均流参数
——背景流场是采用 RANS 模型计算。同时采用非均匀、无旋假设。
网格参数
1、几何模型及维数
图 7 计算域模型 图 7 为计算域的示意图。整个计算域总体长 15 米、宽 5 米。包括内涵和外 涵的喷流计算域以及外部声辐射的计算域。
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图 8 远场声辐射示意图 图 8 为远场声辐射示意图。在 ACTRAN 中离声源半径 46 米，0-150° 方位内设置 测点。在这些测点处，可以提取计算结果来做声辐射的指向性结果图。 2、发动M 与 ACTRAN DGM 的对比验证：二维模型数 值研究
Paul Traub
MTU 航空发动机公司
一、MTU 航空发动机公司简介
MTU(Motoren- und Turbinen-Union)是全球领先的独立 MRO 供应商。MTU 航空发动机公司的前身为 MTU 慕尼黑公司。MTU 航空发动机公司是德国领先 的飞机发动机制造商。 它的客户是全球的发动机与工业燃气轮机领域的制造商及 运营商。MTU 航空发动机公司主要致力于喷气发动机的子系统（例如压气机、 涡轮等）的发展和生产，为军用和民用飞机发动机的提供技术支持。
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MTU 同时还承担一些航空发动机的测试及其它部件的研发工作。图 2 所示 为 MTU 航空发动机公司的主要产品以及所参与的一些航空发动机项目示意图。
图 2 MTU 的主要产品及所参与航空发动机项目
二、航空发动机的噪声特点及降噪措施
来自于工程上不断增加的对静音航空飞行器的需求， 给工程技术上带来很大 的挑战。 现代航空发动机的设计需要考虑各个部件的噪声影响。航空发动机的噪 声主要来自于前传的风扇、压气机噪声和后传的风扇、燃烧室、涡轮以及喷流噪 声，如下图 3 所示。
本文的计算采用二阶的三角形非结构单元。 网格密度的定义根据经验在单位 波长上至少要有 4 个单元。单位波长是指考虑背景流动的波长，其定义为 λ = （������0 − ������） ������
式中������0 为当地声速，������ 为背景流动速度，������为计算频率。从式中可以看出在背景流动比较强 的地方及计算频率比较大的时候计算网格需要加密。