飛機渦輪發動機中的渦輪風扇是主要的飛行噪聲源之一。過量的噪聲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。

為什么降噪對于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，空氣經壓縮后進入燃燒室，和燃料混合燃燒，排出燃氣可產生飛行推力。

圖1 渦輪風扇發動機的示意圖。

圖片由 K. Aainsqatsi 提供。在CCBY-SA 3.0 許可下使用，通過 Wikimedia Commons 分享。

圖2 真實的渦輪風扇發動機。

圖片由 Sanjay Acharya 提供。在CCBY-SA 3.0許可下使用，通過 Wikimedia Commons 分享。

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。知道為什么嗎？再次想象一下你正在乘坐飛機——發動機一路在耳邊喧囂可不是什么愉快的經歷。對于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。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。

通過分析風扇噪聲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，我們可以專注于具體的設計單元。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。

圖3 渦輪風扇發動機的幾何結構。

灰色區域表示發動機的內部機械。空氣流經噴射管 (M1) 以及噴射管外 (M0)。

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。由于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，頻域接口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。至于流管內的聲場，我們使用了在流管內傳播然后輻射到自由空間的特征模式總和對其進行描述。在此類仿真中建立源時，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) ，并生成各種與不同徑向模式數相對應的特征模式。第二步是將三個特征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 的最大特征值對應于徑向模式n=0。同時，最小特征值對應于n=1。

圖4 特征模式圖，其中周向模態式m= 4,17及24，徑向模式n=0和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，并引入了周向波數對空間形狀的貢獻。

圖5 邊界模式顯示為 (m,n)=(4,0)的模型。

比較仿真結果與現有文獻

為了增加對分析結果的信心，我們將仿真結果與論文“Theoretical Model for Sound Radiations from Annual Jet pipes: Far- and Near-field Solution”的結果進行了比較。舉例來說，下圖顯示了仿真研究中不同源特征模式產生的近場壓力。所有求解結果均基于管道內M1=0.45的馬赫數和管道外M0=0.25的馬赫數。

(m,n) = (4,0)的近場解

(m,n) = (17,1)的近場解

(m,n) = (24,1)的近場解

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。

(m,n) = (24,1) 對應的近場聲壓級

(m,n) = (4,0) 對應的旋轉幾何中的近場壓力

通過對仿真結果與上文的現有文獻進行比較，我們進一步證實了仿真結果的有效性。

來源：COMSOL