SIMULIA非常榮幸能夠與行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)和學(xué)術(shù)界攜手合作，見證他們?nèi)绾谓柚抡嬷?，加速?chuàng)新步伐，鑄就卓越設(shè)計(jì)。今天，我們很高興向大家介紹波士頓大學(xué)機(jī)械工程系副教授Sheryl Grace，她將探討如何使用仿真技術(shù)來開發(fā)設(shè)計(jì)工具，以應(yīng)對渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲挑戰(zhàn)。

在追求更高效、更可持續(xù)的飛機(jī)設(shè)計(jì)的道路中，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)無疑提供了一款簡單高效的解決方案。這類發(fā)動(dòng)機(jī)利用風(fēng)扇吸入額外的空氣（幫助推進(jìn)飛機(jī)），從而在提供強(qiáng)大推力的同時(shí)，極大地提升了燃油效率。盡管渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通常比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)更安靜，但在飛機(jī)起飛與降落時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是產(chǎn)生社區(qū)噪聲的主要來源。

波士頓大學(xué)機(jī)械工程系副教授Sheryl Grace表示：“噪聲之所以事關(guān)重大，原因在于它對社區(qū)的影響。對于機(jī)場附近的居民而言，飛機(jī)在起降時(shí)的油耗問題不甚重要。他們真正在意的是，那些會(huì)讓他們在深夜驚醒、并且在某些時(shí)刻讓他們無法在戶外正常交談的噪聲。此外，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲，還會(huì)影響機(jī)內(nèi)乘客與機(jī)組成員的體驗(yàn)。”

對于飛機(jī)開發(fā)人員而言，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲挑戰(zhàn)十分復(fù)雜，他們想要找到一些仿真工具，以便在設(shè)計(jì)的早期階段能夠隔離并緩解特定的噪聲源。Grace教授正在與達(dá)索系統(tǒng)合作，旨在利用SIMULIA PowerFLOW來打造這些工具。

01渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲：一項(xiàng)多物理場挑戰(zhàn)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的種類繁多，而每一種都具有其獨(dú)特的降噪挑戰(zhàn)。例如，軍用噴氣式飛機(jī)使用的小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)讓大部分空氣穿過發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)，因此主要的噪聲源是來自噴嘴的氣流。而對于商業(yè)航空公司使用的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，情況則有所不同。

Grace教授指出：“渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是對渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，它能夠讓大量空氣繞核心機(jī)流動(dòng)，因此其推力來自發(fā)動(dòng)機(jī)前部的風(fēng)扇部分。涵道比越大，來自風(fēng)扇的推力就越大。這意味著，來自風(fēng)扇的噪聲也越大。”

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的尾流與下游的靜子葉片相互作用，并改變氣流的方向時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生噪聲。這被稱為“干涉噪聲”，它是商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中最主要的噪聲源，尤其是在飛機(jī)進(jìn)近和降落階段。其組成部分包括：由每個(gè)風(fēng)扇葉片后方尾流的平均流速差異所產(chǎn)生的音調(diào)噪聲，以及由尾流中的湍流所產(chǎn)生的寬頻噪聲。到目前為止，這種寬頻噪聲已被證明特別難以解決。像諧振器和管道構(gòu)型等解決方案可用于吸收特定的音調(diào)，但它們只適用于窄帶噪聲（即音調(diào)噪聲）。要吸收寬頻噪聲所涵蓋的寬頻聲音，則困難得多。

Grace教授表示：“要模擬風(fēng)扇噪聲問題，你必須理解風(fēng)扇尾流、它與葉片的相互作用、葉片的形狀、葉片與轉(zhuǎn)子的數(shù)量，以及風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。通過調(diào)整這些屬性和管道設(shè)計(jì)，確實(shí)可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)的音調(diào)噪聲，但你無法消除風(fēng)扇尾流中的湍流，也無法消除它產(chǎn)生的所有噪聲，因此始終會(huì)有寬頻噪聲?！?/span>

02仿真與物理測試

設(shè)計(jì)人員在緩解寬頻噪聲時(shí)，常常依賴物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證他們的預(yù)測。所用數(shù)據(jù)通常包括風(fēng)扇尾流中至少兩個(gè)位置的氣流測量值，以及發(fā)動(dòng)機(jī)周圍特定位置的麥克風(fēng)測量值。這些數(shù)據(jù)固然很好，但比較有限。

而仿真能夠提供關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的更為詳盡的深度見解。SIMULIA PowerFLOW已作為一款卓越的工具而在業(yè)界嶄露頭角，它能通過超大渦仿真（VLES）——一種用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的湍流數(shù)學(xué)模型，對整個(gè)風(fēng)扇級進(jìn)行建模。然而，盡管這些仿真能夠有效地捕獲湍流并預(yù)測噪聲，但其在早期設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用可能頗具挑戰(zhàn)。

Grace教授指出：“PowerFLOW的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)仿真已被用來探索各種設(shè)計(jì)問題，但其計(jì)算量往往過于龐大，而無法用于評估初始設(shè)計(jì)。而且，我們要處理由不同方式產(chǎn)生的不同類型的噪聲，如果用仿真軟件對它們進(jìn)行建模，你確實(shí)可以一次性得到所有結(jié)果。但如果你只想提取其中的一小部分并進(jìn)行快速計(jì)算，那么你必須要深入研究：到底是什么因素導(dǎo)致了該噪聲？而且我該提取什么數(shù)據(jù)來進(jìn)行建模？”

03攜手創(chuàng)建噪聲仿真設(shè)計(jì)工具

Grace教授想要了解PowerFLOW如何能夠提供一臂之力，幫助打造渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員所需的工具，以最大限度地減少風(fēng)扇的寬頻干涉噪聲。因此，她接下來與達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA的合作，自然水到渠成。

Grace教授表示：“我們之間的合作自然而然地開始了。幾年前，在一次航空聲學(xué)會(huì)議上，PowerFLOW開始在關(guān)于機(jī)身噪聲的演講中被人提及。當(dāng)時(shí)人們正在探索如何利用仿真來預(yù)測機(jī)身聲學(xué)特性，PowerFLOW也因此獲得了越來越多的關(guān)注。又過了幾年，突然之間，PowerFLOW擁有了更高的馬赫數(shù)能力。當(dāng)時(shí)，在風(fēng)扇領(lǐng)域有一個(gè)基準(zhǔn)挑戰(zhàn)賽，達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA研發(fā)部流體科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理Damiano Casalino，展示了他耗時(shí)僅約一周所進(jìn)行的一次完整的、直接數(shù)值仿真的結(jié)果?！?/span>

Grace教授被她所看到的成果深深打動(dòng)，并渴望能夠參與其中。

她回憶道：“我問Damiano是否可以讓我分析他的計(jì)算數(shù)據(jù)，并看看尾流建模效果是否理想。后來我們又在另一次會(huì)議上碰面了，他告訴我NASA將允許他在我之前研究過的另外幾個(gè)風(fēng)扇案例上運(yùn)行他的仿真。他同意將體數(shù)據(jù)發(fā)送給我，我們便一同完成了評估工作?！?/span>

最終，這促成了Grace教授參與到SIMULIA“成果導(dǎo)向合作”（Outcome-Based Engagement, OBE）項(xiàng)目中——這是一種軟件即服務(wù)模式，其中，開發(fā)軟件的公司需要負(fù)責(zé)其實(shí)施和使用。Grace教授參與的SIMULIA OBE，不僅縮短了獲得投資回報(bào)所需的時(shí)間，更提供了一種擴(kuò)展和增強(qiáng)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的途徑，從而助力設(shè)計(jì)工具的開發(fā)。

04通過仿真來增強(qiáng)理解

與達(dá)索系統(tǒng)的合作，意味著Grace教授能夠開啟一段新的旅程，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員開發(fā)所需的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)寬帶噪聲預(yù)測工具。

Grace教授表示：“我真正想要的結(jié)果是，從PowerFLOW中能夠得出讓我更容易理解的湍流參數(shù)，而不是僅僅從一個(gè)湍流模型中抓取數(shù)值，或者從一個(gè)實(shí)驗(yàn)中獲取單探針的測量結(jié)果。我想更好地解讀湍流的長度尺度——這應(yīng)該能從一次完整的大渦仿真中獲得。而且我希望在所有位置都能獲得該信息——尤其是在轉(zhuǎn)子和靜子葉片之間的間隙中。另外，我還想要利用所有數(shù)據(jù)，來判斷用于確定尾流如何演進(jìn)的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法是否仍然適用?！?/span>

Grace教授和她的合作伙伴在研究尾流演進(jìn)方面，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。盡管團(tuán)隊(duì)仍在繼續(xù)根據(jù)PowerFLOW數(shù)據(jù)探索關(guān)于湍流長度尺度的各種問題，但Grace教授相信，他們正朝著正確的方向前進(jìn)。

對于此次合作，Grace教授的另一個(gè)目標(biāo)，僅僅是為了弄清楚她的低階模型是否有任何遺漏，例如，關(guān)于葉片對壓力的響應(yīng)情況。

Grace教授表示：“我們想研究葉片的響應(yīng)情況，因?yàn)榈碗A模型的核心就在于模擬流體進(jìn)入并撞擊葉片的過程。我們對葉片如何響應(yīng)擾動(dòng)進(jìn)行了各種假設(shè)，并用所有假設(shè)進(jìn)行了葉片建模，而且我想知道，這個(gè)結(jié)果是否接近真實(shí)情況。我想看到完整的葉片響應(yīng)情況?！?/span>

結(jié)果證明，這項(xiàng)挑戰(zhàn)比預(yù)想中的更加困難——但PowerFLOW幫助Grace教授理解了其中的原因所在。

Grace教授指出：“我試圖將聲學(xué)響應(yīng)分解為聲學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)部分，事實(shí)上真的很難做到這一點(diǎn)。它包含了邊界層以及流體力學(xué)，如果要把流體動(dòng)力學(xué)這個(gè)很重要的一部分分出去，只處理聲學(xué)部分，這真的非常困難。但是，在擁有完整的葉片數(shù)據(jù)后，我發(fā)自內(nèi)心地意識到，這本身就是一個(gè)棘手的問題。我以前之所以未能成功，并不是因?yàn)槲覀冎挥猩贁?shù)幾個(gè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我現(xiàn)在才真正體會(huì)到，整個(gè)分離過程有多么困難，而這是一個(gè)很好的結(jié)果，我從中獲益良多。”

05穩(wěn)步前行

最終，從這個(gè)項(xiàng)目中建立了一種持續(xù)產(chǎn)出成果的合作關(guān)系。

Grace教授表示：“這個(gè)項(xiàng)目讓我得以與達(dá)索系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)共事，而且我們將繼續(xù)合作下去。例如，我們下一個(gè)研究課題將是關(guān)于邊界層吸入式發(fā)動(dòng)機(jī)。我們一直在探討，我們是否可以通過一些其它工作來共同改進(jìn)低階建模。從我們的工作中，我知道了如何與PowerFLOW的輸出進(jìn)行交互，以及我能從一次仿真中提取什么類型的信息，同時(shí)我也結(jié)識了一些精通仿真的專業(yè)人士。”

Grace教授在波士頓大學(xué)的科研工作也因此開辟了新的方向。

Grace教授認(rèn)為：“與達(dá)索系統(tǒng)的合作，幫助我能夠從一些新的方向推進(jìn)我的工作，并嘗試解決一些懸而未決的問題。這也讓我的工作獲得了更多關(guān)注，并因此獲得了一筆來自美國聯(lián)邦航空管理局的撥款，其中包括與雷神技術(shù)研究中心的一項(xiàng)新合作?！?/span>

Grace教授將這種效應(yīng)描述為“如同踏過一塊塊進(jìn)階石”。隨著該項(xiàng)目為她帶來了更多的研究機(jī)會(huì)與經(jīng)費(fèi)，這也意味著在她的團(tuán)隊(duì)中工作的研究生不僅能夠獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還獲得了更多的資金支持。

Grace教授指出：“這次合作經(jīng)歷給我?guī)砹?00%積極的成果。我發(fā)現(xiàn)達(dá)索系統(tǒng)在分享數(shù)據(jù)集方面極為慷慨。他們真正想知道是否有改進(jìn)PowerFLOW工具的方法，以及它如何能夠在聲學(xué)領(lǐng)域?yàn)槲覀兲峁椭?。他們也對流體力學(xué)方向的科研工作很感興趣，并常常邀請我們開展一些驗(yàn)證工作。這種合作關(guān)系使我們能夠互惠互利，我相信我們的合作將一直持續(xù)下去?！?/span>