如果有100萬，你打算買什么呢？

一輛寶馬7系？一套鄉村別墅？100箱茅臺？還是一個航空發動機的風扇葉片？

額，事出反常必有妖，機智的我選屠龍刀！哦~不，是風扇葉片！雖然這玩意兒長得像把神器，不過到底有什么特別的？怎么就值100萬呢？

筆者又不得不搬出萬年老梗了：“航空發動機是工業皇冠上的明珠”。從設計驗證到加工制造，航發所涉及到的學科范圍之廣、技術難度之高，幾乎是任何產品都望塵莫及的。迄今為止，在商用航空發動機領域，也僅有GE、普惠和羅羅三家公司具備完全自主設計和制造的能力。航發三巨頭掌握著行業最尖端的技術，也掀起了相當激烈的技術競爭。隨著現代運輸業對于飛機燃油經濟性的要求越來越高，為了盡量降低渦扇發動機的內涵排氣損失，就必須把更多功率用到處于冷端的外涵，導致外涵尺寸越做越大，風扇尺寸不斷增加。風扇尺寸大到什么程度呢？下圖為某工程師與GE90發動機的合照，是不是大的有點恐怖？

而現代大涵道比渦扇發動機的瓶頸之一在于，由于結構強度和噪聲問題，風扇葉尖的周向速度不能過分增大。這意味著如果保持風扇葉尖周向速度不變的條件下，增加風扇尺寸則必須降低轉速，那么與風扇剛性相連的低壓渦輪的轉速也會降低。而根據渦輪的工作原理，渦輪做功能力和轉速成正比。那么我們得到了一個更耗能的風扇和更弱雞的低壓渦輪，更小的馬拉更大的車，我太難了！

為了調和這個矛盾，三巨頭紛紛摩拳擦掌，拿出了自己的看家本領。GE死磕傳統雙轉子技術，其嫡系CFM公司的LEAP系列發動機使用了攜帶各種黑科技的Advanced高效風扇和逆天的超大號七級鋁鈦合金低壓渦輪；羅羅更狠，兩根軸不行就再加一根，成就了其招牌的三轉子發動機——Trent系列；最極致的則是普惠，推出了行星齒輪傳動風扇發動機PW1000G系列，通過齒輪讓風扇轉的慢，而低壓渦輪則能以三倍風扇轉速旋轉，風扇和低壓渦輪同時達到了各自最佳的運行工況；2011年，美國《時代周刊》稱PW1000G是“2011年航空業最重大的發展”，隨后PW1000G陸續裝機并服役。但2015年普惠母公司卻出售了旗下頂尖的直升機公司西科斯基……你品，你細品。

“人生已經如此的艱難，有些事情就不要拆穿”

羅羅和普惠的方案的確能從根本上解決風扇轉速的問題，但是設計都太過超前和復雜，差點拖垮了這兩家公司，若不是英美政府及時出手，估計咱們就可以拿茅臺去換發動機了。

經過上述艱苦卓絕的歷程，三巨頭將大涵道比渦扇發動機的效率提高到另一個水準，而這些發動機的涵道比也高達10:1以上，其中PW1100G的涵道比更是達到了12.5:1，其外涵風扇提供的推力也超過了發動機整機的80%。而就部件而言，風扇無疑是設計優化的重中之重，各家公司也都八仙過海各顯神通。NASA這個老母雞更是延續了不斷下金蛋的本領，不但自己研究，還伙同一眾公司，對風扇設計進行了大量的基礎研究。比如針對風扇噪聲，NASA就和GE、普惠、霍尼韋爾等公司合作進行了一系列的基礎研究。

航空發動機風扇噪聲的來源和分類眾多，不過其決定因素仍為其氣動負荷，也就是葉尖切線速度和壓比。但為了維持足夠的推力，并避免巨大的激波噪聲，三巨頭們紛紛把最大爬升工況的風扇葉尖切線速度設定為略超音速。降噪也只能在不惡化氣動性能的條件下進行，仿佛“帶著腳銬跳舞”。下圖列出了NASA研究中的若干降噪方案，分別為使用斜向上的短艙入口設計（使噪聲向天空輻射而不是地面）、主動噪聲控制技術、聲襯（被動控制）、前掠風扇葉片、彎掠出口導葉。其中葉片的彎掠技術可以降低轉靜干涉而使噪聲降低，且無需增加額外的裝置，深受各大航空發動機制造商青睞。

盡管NASA做了很多實驗研究，但在設計流程中，風扇噪聲的優化迭代還是要靠仿真軟件。針對風扇噪聲仿真對標這個細分課題，NASA也有專門的研究。其中較為著名的就是NASA主導，普惠、GE和霍尼韋爾分別參與的靜音風扇研究項目。NASA做了一系列實驗，并把實驗數據公布與眾，引誘眾多軟件廠商前來對標。

作為氣動噪聲仿真領域的扛把子，PowerFLOW怎會錯過這樣的機會。于是針對NASA SDT（NASA/GE Source Diagnostic Test）項目，PowerFLOW進行了一系列仿真計算，相關結果發表于AIAA。本文展示了其中一部分研究成果，即針對三種不同的出口導葉方案（基本型、低葉片數方案、后掠的低噪聲方案）進行了研究分析。

下圖分別展示了三個不同方案下，仿真和實驗得到的沿短艙外側、平行于短艙軸線不同位置處的總聲壓級的對比。可以看到，PowerFLOW預測的噪聲指向性分布與實驗基本一致，且絕對值的差異均在2.5dB之內。

如果進一步的比較方案效果的話，結果更令人驚訝，PowerFLOW預測的低噪聲方案和低葉片數方案相對于基準方案的降噪效果與實驗的差異基本保持在1dB之內，如下圖所示。

而在本次仿真中，還觀測到了一個非常有趣的現象。我們知道，雖然風扇的各個葉片在設計時遵從了相同的安裝角，但由于加工和裝配誤差，每個葉片的實際安裝角會略有不同。而這種裝配誤差卻可能會減弱轉靜干涉引起的諧頻噪聲。工程上也有人專門對安裝角進行一定的周向變動，形成“錯頻效應”來降低諧頻噪聲。不過在本案例中，研究的是加工裝配誤差引起的錯頻效應。我們把安裝角的微小隨機擾動加入到仿真中，下圖左給出了原始安裝角（灰色）和隨機擾動安裝角（紅色）的對比。下圖右給出了仿真與實驗的頻譜對比，可見安裝角經過隨機擾動的調整后，仿真的諧頻噪聲和實驗更加接近。這也是首次在CFD仿真中觀察到了這一現象。

在發動機短艙內壁安裝聲襯，利用亥姆霍茲共振器原理可削弱風扇噪聲，減少其向外部的傳遞。該技術在很多民用渦扇發動機上均有應用。但由于聲襯的蜂窩結構細小繁多，難以使用傳統CFD工具進行評估。以往對于聲襯技術的研究和優化，通常采用半經驗的方法，但聲襯在較高聲壓級的條件下，以及湍流邊界層掠過時表現出來較強的非線性，使得經驗公式失效；而新型的聲學材料也會使經驗參數改變，難以滿足現有的設計開發需求。

而基于LBM+VLES的技術優勢，使用PowerFLOW不僅可以對單個或一組蜂窩進行直接數值模擬，對蜂窩結構的聲學特性進行精準的評估和優化，也可以通過聲學多孔介質對安裝聲襯后的發動機的降噪效果進行模擬分析。

風扇設計，作為民用渦扇發動機領域內最難的方向之一，引無數英雄前赴后繼。一個看似不起眼的風扇卻凝結了幾乎整個工業領域內最尖端的技術，百萬寶貝，你值得擁有。

大風扇呀吱悠悠的轉，這里的噪聲不簡單，寬頻和諧頻一起來搗蛋......介紹完了機身和風扇噪聲，后續為您帶來噴流噪聲和飛發一體化的噪聲設計優化，敬請期待。

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