[发明专利]一种基于二次函数的可抑制风扇激波噪声的叶型优化方法

摘要

本发明公开了一种基于二次函数的可抑制风扇激波噪声的叶型优化方法，包括二维叶型优化及三维叶片优化；通过优化前缘和吸力面的形状，降低超声叶型的激波噪声，同时提高其气动性能，并兼顾前缘的厚度来保证结构强度的要求；通过合理设置二次函数作用范围和幅值在展向上的变化规律，来适应叶型厚度和来流条件的变化，实现不同叶高基元级在三维上的光滑连续；本发明方法在叶型数值表达式的形函数中引入了一元二次函数，有效改变了拟合范围内吸力面的厚度分布，增加极限马赫点前膨胀波的总量，削弱了前伸激波的强度进而降低激波噪声，有效降低超声叶型或跨声转子的激波噪声约2～3dB，有效提高跨声转子的效率约0.3个百分点。

主权项

1.一种基于二次函数的可抑制风扇激波噪声的叶型优化方法，其特征在于：首先重新定义叶型的前缘点，增大吸力面的范围；然后对前缘和吸力面进行局部拟合，得到数值表达式，并进行初步优化，使之曲率连续过渡，降低前缘吸力峰强度；在吸力面数值表达式中添加一元二次函数，优化吸力面的厚度分布，增加极限马赫点的气流转折角和膨胀波的生成量；通过对流场的观测和激波噪声的定量计算结果，对一元二次函数的最大值和作用范围进行反复迭代调整，直到达到理想的降噪效果，完成优化设计；具体步骤包括：1)原始叶型的激波噪声计算：采用雷诺平均NS方程(RANS)方法计算原始叶型流场数据，所述RANS方法使用适用于激波捕捉的二阶精度以上的计算格式，保证每个激波波长内网格点数大于30个；所述网格进口采用拉伸网格；将流场中静压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；使用公式计算轴向位置x处的声功率大小，其中分别是速度矢量的时间平均量、压力的时间平均量、密度的时间平均量，γ为比热比，v'、u′、p′分别是速度矢量的变化量、轴向速度的变化量和压力的变化量，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；2)叶型的参数化：根据步骤1)中数值模拟结果，计算E点的位置；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；用class function/shape function transformation(CST)方法对叶型进行局部拟合，得到无量纲后的叶型数值表达式所述的局部拟合范围为极限特征线与吸力面交点(E)前的叶型；所述的CST方法的形函数为加权的Bernstein多项式，前缘参数N₁＝0.5，尾缘参数N₂＝1；所述形函数空间的横轴为前缘点和拟合极限处压力面吸力面中点的连线，坐标原点为前缘点；采用方差作为拟合精度判别标准；3)钝体前缘的造型：重新定义前缘点，将所述前缘点由前缘小圆中点改为压力面圆弧中点；所述形函数空间和叶型坐标亦随之旋转；去掉形函数空间内横坐标为负的点，并对吸力面前缘进行加密，从形函数空间变回原几何坐标系，得到改造后的钝体前缘；4)钝体前缘的初步优化：将前缘参数N₁由0.5等差增大，公差为0.05，其他拟合参数和拟合范围保持不变，得到不同厚度和曲率变化规律的前缘叶型；在前缘和吸力面连接处，新叶型的厚度为原始叶型厚度的二分之一时，停止增加N₁值，得到保障前缘结构强度的最大N₁值；按步骤1)所述方法计算初步优化的叶型激波噪声大小；5)基于一元二次函数的吸力面厚度分布二次优化初始参数选取：将拟合范围扩大至1.5倍，并在CST形函数中加入一元二次函数项：‑(g*(ψ‑0.5)*(ψ‑0.5)‑d)*ζ_T，其中d＝0.5*0.5*g，ψ为无量纲后的横坐标，ζ_T为无量纲后的尾缘厚度的一半；g的初始值为0.02，得到厚度优化的新叶型；按步骤1)所述方法计算厚度优化后叶型的流场，并重新计算二次优化叶型的E点位置；6)拟合范围的选定：提取步骤4)中初步优化和步骤5)中二次优化的叶型吸力面表面等熵马赫数分布曲线，在二次优化叶型等熵马赫数更大的情况，观察两者等熵马赫数差值最大的位置M；若M点在E点前，则增大拟合范围，调整吸力面拟合范围并进行迭代优化，使M点位置在极限马赫点稍后方；7)g值的选定：从0.02开始逐步增大g值，计算不同g值厚度对应的优化叶型的激波噪声，直到激波噪声不再降低，或g值到达0.06；在改变g值时，M点和E点的相对位置可能发生变化，确定最佳g值，需要实时调整拟合范围，迭代优化，直到得到理想的降噪效果。