进气畸变对单级亚音速风扇气动力和声学响应的影响

《Aerospace Science and Technology》：Effects of intake distortion on the aerodynamic and acoustic responses of a single-stage subsonic fan

　　

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  采用高保真LBM/VLES框架，对处于边界层吸入（BLI）进气畸变条件下的风扇进行研究。
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  畸变来流重塑了风扇级中的损失演化及非定常流动结构。
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  BLI进气畸变增强了近场声学非均匀性及声源区域的脉动。
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  低频宽带及以叶片通过频率（BPF）为主的主导声成分对畸变最为敏感。

引言

随着绿色航空推进技术的发展，边界层吸入（BLI）技术因其能够吸入飞机边界层内的低动量气流并提高推进-机体集成效率而受到越来越多的关注。先前的研究表明，BLI构型在具有机体-推进集成特征的运输机中具有显著降低能耗的潜力，因此被视为未来高效低排放推进系统的重要发展方向[1-3]。

然而，BLI的潜在收益往往伴随着相当大的气动代价。在BLI构型中，风扇持续工作在以低能边界层流、总压亏损和流动角畸变为特征的非均匀来流条件下。因此，入口流场通常表现出显著的周向和径向畸变，导致叶片载荷重新分布、总体性能下降以及稳定工作裕度的降低。Hall等人[4]指出，边界层吸入对风扇级载荷分布、流动匹配和设计约束有显著影响。Castillo Pardo等人[5]进一步表明，为均匀来流开发的传统设计方法不足以适应BLI条件下的畸变进气特征。同时，文献[6,7,8]中的研究证实，进气畸变不仅改变了不稳定性扰动的产生和传播，还加剧了对叶片施加的周期性气动激励，并诱发出更复杂的局部旋转不稳定性结构。这些发现表明，BLI风扇面临的关键挑战不仅限于平均性能下降。更重要的是，畸变来流持续调制风扇的非定常气动响应，并限制其稳定工作范围。

在具有S形进气道或短程高曲率扩散进气道的BLI构型中，复杂的内部流动进一步加剧了进气畸变。曲率和扩散的耦合作用促进进气道内边界层增厚、流动分离和二次流结构的形成，导致风扇上游总压和速度出现显著的非均匀性。同时，风扇的抽吸作用可进一步改变进气道内部的分离流动结构并影响其非定常演化，造成AIP（风扇进气面）附近显著的时空非定常性。因此，传统的时间平均畸变描述符已不足以表征短进气道构型中的实际来流条件，对非定常畸变的评估和物理解释日益重要[9,10]。

与对气动性能和稳定性的广泛关注相比，BLI引起的进气畸变对风扇声学响应的影响研究相对不足。已有研究表明，进气畸变不仅改变了叶面上的平均载荷分布，还影响音调噪声、宽带噪声及其辐射指向性。这些声学效应与增强的非定常压力脉动、叶尖泄漏流振荡、分离涡演化以及尾迹混合密切相关。Defoe等人[11]率先揭示了边界层吸入对风扇转子气动声学响应的显著影响。Romani等人[12]指出，在已安装的BLI构型中，来流非均匀性、机体效应与风扇噪声之间存在强耦合关系。Grizewski等人[13]进一步表明，进气非均匀性可以显著改变BPF及其谐波附近噪声成分的能量分布。近年来，Ahmed等人[14]和Zaman等人[15]研究了BLI条件下的管道风扇和螺旋桨，证明边界层吸入可以显著影响近场和远场频谱特性以及辐射指向性。然而，关于分离诱导畸变下S形进气道中单级风扇的内部声学响应、近场和远场噪声演化及其与非定常流动结构相关性方面的系统性研究仍然有限。

近年来，格胞玻尔兹曼方法（LBM）作为一种高保真数值方法，在非定常气动和气动声学模拟领域应运而生。与传统的Navier-Stokes方法相比，LBM采用介观层面的描述形式，在低数值耗散、高效并行化以及复杂几何和移动边界的灵活处理方面具有固有优势。这些特征使LBM特别适合涉及复杂湍流和声场的大规模模拟。需要注意的是，原始LBM公式主要针对低马赫数弱可压流动开发，这限制了其在高速气动问题中的应用。然而，可压LBM公式的显著进展将该方法的适用性扩展到了高亚声速和跨声速领域。Li等人[16]提出了一种结合单层和多层次格模型混合格玻尔兹曼方法，能够在保持气动声学预测所需的低数值耗散特征的同时，准确模拟高亚声速和跨声速流场。该扩展LBM框架在高速气动和气动声学应用方面的能力也已在跨声速转子模拟中得到验证，成功捕捉了局部超声速区域及相关的声学响应[17]。除这些发展外，基于LBM的方法已被应用于广泛的复杂气动声学研究，包括涡扇发动机宽带噪声预测[18]、低速涡扇气动和声学预测[19]、转子气动声学[20]、离心风扇气动与气动声学[21]以及轴向发动机冷却模块气动声学[22]。这些研究共同展示了基于LBM的框架在分辨复杂非定常流动结构和预测相关声学特性方面的能力。因此，本研究采用的可压LBM/VLES框架为研究畸变进气条件下高亚声速单级风扇的气动和声学响应提供了适当的数值方法。

综上所述，先前的研究表明，在非均匀来流条件下运行的BLI风扇容易受到气动性能下降、非定常激励增强和稳定裕度降低的影响。对于紧凑的BLI构型，S形进气道内产生的分离和二次流结构可以进一步加剧风扇来流在空间和时间上的非均匀性。然而，关于此类分离诱导畸变如何在风扇入口处演化，并进而影响单级亚声速风扇的气动性能、内部流动组织、非定常气动响应和声学特性，仍缺乏系统性的理解。要解决这些耦合的气动和声学过程，需要一种能够捕捉复杂非定常流动演化及相应声学响应的数值框架。为弥补这一不足，本研究采用可压LBM/VLES框架，通过对比BLI进气构型与均匀进气构型，对单级亚声速风扇展开研究。重点考察进气畸变特征、气动性能、下游流动演化、非定常压力响应以及近场和远场声学特性。研究结果进一步揭示了BLI风扇在分离诱导进气畸变条件下的气动与气动声学响应机理，并为其气动和低噪声设计提供指导。

章节摘要

研究模型

本研究的研究对象为单级亚声速风扇模型。如图1(a)所示，风扇级主要由转子、静子、轮毂、机匣和喷管组成，其主要几何和运行参数列于表1中。进气道出口外径为350 mm，进气道轴向长度（不含唇口段）为600 mm。转子和静子分别具有16片和24片叶片。叶尖间隙为0.5 mm，设计转速

进气道畸变流场特征

图9给出了BLI进气道内不同流向截面上的总压恢复系数时间平均分布。在Z1截面，流场仍保持较高的总压恢复水平，仅在壁面附近出现局部低值区域，表明进入进气道后的来流已受到边界层发展和壁面粘性效应的影响。随着流向下游发展

结论

本研究采用基于LBM/VLES框架的高保真数值方法，系统研究了BLI进气构型和均匀进气构型下单级亚声速风扇的气动和声学响应。主要结论如下：

• (1)
  BLI进气在AIP处产生显著的径向和周向非均匀性，表现为总压亏损和涡量在风扇入口处的重新分布。
• (2)
  畸变来流持续

利益冲突声明

作者声明，本文章的发表不存在利益冲突。

资助

本研究得到了国家自然科学基金集成项目（U25A6006）和国家自然科学基金（12302346）的资助。

作者贡献声明

Junyang Yu（俞俊洋）：撰写——初稿撰写，软件，调查研究，概念构思。Xiangxin Zhou（周向新）：验证，软件。Lishu Duan（段立书）：验证，软件。Zhenhua Wan（万振华）：撰写——审阅与编辑，监督。Hanbo Jiang（江翰波）：撰写——审阅与编辑，监督，获取资金。

Junyang Yu|Xiangxin Zhou|Lishu Duan|Zhenhua Wan|Hanbo Jiang