谢丽尔M.格蕾丝-波士顿大学
道格拉斯L.桑达克-波士顿大学
丹尼尔J.多尼-美国宇航局马歇尔太空飞行中心
Michaela Logue -圣母大学
Michael J. Cannamela -波士顿大学
摘要
人们对提高预测喷气发动机（包括发动机风扇）产生的噪音水平的能力非常感兴趣。特别是，随着涵道比的增加，风扇噪声成为发动机噪声的主要来源。NASA进行了一系列被称为源诊断测试（SDT）的实验，目的是提供一套丰富的实验数据，可用于验证涡扇发动机噪声模型。在本澳门威尼斯人注册网站研究中，基于其中一个SDT测试点的几何形状和流动条件，进行了三维非定常reynolds - average Navier-Stokes模拟。得到的非定常叶片压力被用作求解管道内对流波动方程的边界条件。计算得到的风机出口声功率级与实验值吻合较好。
实验配置
SDT钻机是一个比例模型风扇级，包括机舱，是当前商用涡扇发动机前端的代表。钻机如图1所示。该阶段用三组不同的叶片进行测试，每组叶片在三种不同的操作条件下进行测试。在目前的澳门威尼斯人注册网站研究中，“截止”配置有22个风扇叶片和54个叶片，在进近功率设置下进行了测试。除了测量机舱进出口声压级外，还使用激光多普勒测速仪（LDV）测量了风扇叶片和叶片之间的速度分量。
计算流体动力学
利用用于涡轮机械的三维非定常湍流Navier-Stokes求解器Phantom对风扇级的流动进行了模拟。这是一个隐式有限差分代码，它使用一般方程集方法。它在空间上是三阶精度，在时间上是二阶精度。对流项采用中心差分，粘性项采用中心差分。采用近似因子分解，通过使用双时间步使因子分解误差最小化。
模拟的几何形状包括2个转子叶片和5个叶片，叶片几何形状按54/55缩放以保持正确的阻塞。每个通道都用偏移的o型网格和h型网格离散，包括旋翼叶片的叶尖间隙网格。总共使用了大约5×106网格点。仿真在IBM p690的16个1.3 GHz处理器上进行。每个时间步需要66秒的挂钟时间，每周期2000步，其中一个周期是2个转子叶片穿过5个叶片的时间。
得到的风机叶片后的时间平均中跨尾迹剖面与实验LDV数据以及图2中其他地方进行的相同配置的另一个模拟进行了比较。在风扇叶片后约0.2个轴向弦处计算得到的瞬时轴向速度等值线图如图3所示。该图显示了风扇尾迹、叶尖间隙流和机匣边界层。
声学
实验声学数据在叶片通过频率（BPF）处不包含主导相互作用模式，在2倍BPF处存在主导相互作用模式（n=-10），因此这些是我们所澳门威尼斯人注册网站研究的频率。对叶片表面每个网格点计算的非定常压力轨迹进行快速傅立叶变换（FFT），使用13个尾迹通过循环，每个循环1000个点。对于跨中前缘点，典型结果如图4所示。在BPF和2倍BPF时叶片表面压力实部FFT等值线图如图5所示。
利用实际叶片的几何形状和CFD模拟的作用力，对恒面积无限环形风道的对流波动方程进行了解析求解。与实验中一样，BPF机箱显示为切断，2BPF机箱显示为切断。周向模态-10和径向模态3的样本模态振型如图6所示。在n=-10模式下，2倍BPF时喷嘴出口功率电平的实验值为105 dB。在分析中，在管道的同一轴向位置，功率级计算得到99.6 dB。
可视化序列
这些电影最初是在2007年超级计算会议上以2048 x 1536的分辨率在我们的旅行高分辨率立体显示器上以立体声方式显示的。对于这里的网络版本，他们已经被降采样到720 x 540单声道，并在微软AVI和苹果Quicktime视频格式可用。波士顿大学科学计算和可视化小组的Erik Brisson的科学可视化。
这部电影展示了通过NASA源诊断测试（SDT）实验风扇装置模拟三维非定常湍流的结果。风扇叶片，叶片和轮毂流道通过静压着色，显示出几个有趣的特征。仿真是在非设计工况下进行的，风机在前缘附近吸力面出现分离现象。分离的高度不稳定性质可以从压力曲线中看出。通过对风扇叶顶间隙流动的模拟，可以看到在叶顶区域风扇叶顶涡与叶片的非定常相互作用。请注意，这个动画的数据是在模拟完成从初始条件到域的瞬变之前拍摄的，并且可以看到压力波从出口移动到入口。（23mb AVI, 205mb QuickTime）
这部电影展示了通过NASA源诊断测试（SDT）实验风扇装置模拟三维非定常湍流的结果。熵的等值面显示了风扇尾迹和叶片之间的相互作用，叶片和轮毂流道表面由静压着色。风扇尾迹似乎在风扇和叶片之间大约一半的地方开始卷起。叶片表面压力在尖端区域可以看到有很大的不稳定，因为风扇尾迹与叶片相互作用。风扇尾迹在叶片通道中呈现出特有的发夹形状，并且切碎的风扇尾迹段与叶片尾迹进一步下游相互作用。（30mb AVI, 292mb QuickTime）
结论
该方法已被证明能够预测SDT实验测试点的开/关行为和出口声功率级。下一步将在其他SDT条件和配置上执行类似的计算，以获得对该方法的信心。