SIMULIA非常榮幸能夠與行業(yè)領先企業(yè)和學術界攜手合作，見證他們如何借助仿真之力，加速創(chuàng)新步伐，鑄就卓越設計。今天，我們很高興向大家介紹波士頓大學機械工程系副教授Sheryl Grace，她將探討如何使用仿真技術來開發(fā)設計工具，以應對渦扇發(fā)動機的噪聲挑戰(zhàn)。

在追求更高效、更可持續(xù)的飛機設計的道路中，渦扇發(fā)動機無疑提供了一款簡單高效的解決方案。這類發(fā)動機利用風扇吸入額外的空氣（幫助推進飛機），從而在提供強大推力的同時，極大地提升了燃油效率。盡管渦扇發(fā)動機通常比渦噴發(fā)動機更安靜，但在飛機起飛與降落時，該發(fā)動機仍然是產生社區(qū)噪聲的主要來源。

波士頓大學機械工程系副教授Sheryl Grace表示：“噪聲之所以事關重大，原因在于它對社區(qū)的影響。對于機場附近的居民而言，飛機在起降時的油耗問題不甚重要。他們真正在意的是，那些會讓他們在深夜驚醒、并且在某些時刻讓他們無法在戶外正常交談的噪聲。此外，渦扇發(fā)動機產生的內部噪聲，還會影響機內乘客與機組成員的體驗?！?/span>

對于飛機開發(fā)人員而言，渦扇發(fā)動機噪聲挑戰(zhàn)十分復雜，他們想要找到一些仿真工具，以便在設計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)動機噪聲：一項多物理場挑戰(zhàn)

渦扇發(fā)動機的種類繁多，而每一種都具有其獨特的降噪挑戰(zhàn)。例如，軍用噴氣式飛機使用的小涵道比渦扇發(fā)動機，會讓大部分空氣穿過發(fā)動機核心機，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)動機，情況則有所不同。

Grace教授指出：“渦扇發(fā)動機是對渦噴發(fā)動機的進一步發(fā)展，它能夠讓大量空氣繞核心機流動，因此其推力來自發(fā)動機前部的風扇部分。涵道比越大，來自風扇的推力就越大。這意味著，來自風扇的噪聲也越大?！?/span>

當發(fā)動機風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，便會產生噪聲。這被稱為“干涉噪聲”，它是商用飛機發(fā)動機中最主要的噪聲源，尤其是在飛機進近和降落階段。其組成部分包括：由每個風扇葉片后方尾流的平均流速差異所產生的音調噪聲，以及由尾流中的湍流所產生的寬頻噪聲。到目前為止，這種寬頻噪聲已被證明特別難以解決。像諧振器和管道構型等解決方案可用于吸收特定的音調，但它們只適用于窄帶噪聲（即音調噪聲）。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：“要模擬風扇噪聲問題，你必須理解風扇尾流、它與葉片的相互作用、葉片的形狀、葉片與轉子的數量，以及風扇的轉速。通過調整這些屬性和管道設計，確實可以消除發(fā)動機的音調噪聲，但你無法消除風扇尾流中的湍流，也無法消除它產生的所有噪聲，因此始終會有寬頻噪聲?！?/span>

02仿真與物理測試

設計人員在緩解寬頻噪聲時，常常依賴物理實驗的數據來驗證他們的預測。所用數據通常包括風扇尾流中至少兩個位置的氣流測量值，以及發(fā)動機周圍特定位置的麥克風測量值。這些數據固然很好，但比較有限。

而仿真能夠提供關于發(fā)動機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）——一種用于計算流體動力學的湍流數學模型，對整個風扇級進行建模。然而，盡管這些仿真能夠有效地捕獲湍流并預測噪聲，但其在早期設計階段的應用可能頗具挑戰(zhàn)。

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

03攜手創(chuàng)建噪聲仿真設計工具

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)動機設計人員所需的工具，以最大限度地減少風扇的寬頻干涉噪聲。因此，她接下來與達索系統(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，在一次航空聲學會議上，PowerFLOW開始在關于機身噪聲的演講中被人提及。當時人們正在探索如何利用仿真來預測機身聲學特性，PowerFLOW也因此獲得了越來越多的關注。又過了幾年，突然之間，PowerFLOW擁有了更高的馬赫數能力。當時，在風扇領域有一個基準挑戰(zhàn)賽，達索系統(tǒng)SIMULIA研發(fā)部流體科學與技術應用經理Damiano Casalino，展示了他耗時僅約一周所進行的一次完整的、直接數值仿真的結果。”

Grace教授被她所看到的成果深深打動，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算數據，并看看尾流建模效果是否理想。后來我們又在另一次會議上碰面了，他告訴我NASA將允許他在我之前研究過的另外幾個風扇案例上運行他的仿真。他同意將體數據發(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“成果導向合作”（Outcome-Based Engagement, OBE）項目中——這是一種軟件即服務模式，其中，開發(fā)軟件的公司需要負責其實施和使用。Grace教授參與的SIMULIA OBE，不僅縮短了獲得投資回報所需的時間，更提供了一種擴展和增強現有實驗數據的途徑，從而助力設計工具的開發(fā)。

04通過仿真來增強理解

與達索系統(tǒng)的合作，意味著Grace教授能夠開啟一段新的旅程，為發(fā)動機設計人員開發(fā)所需的渦扇發(fā)動機寬帶噪聲預測工具。

Grace教授表示：“我真正想要的結果是，從PowerFLOW中能夠得出讓我更容易理解的湍流參數，而不是僅僅從一個湍流模型中抓取數值，或者從一個實驗中獲取單探針的測量結果。我想更好地解讀湍流的長度尺度——這應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——尤其是在轉子和靜子葉片之間的間隙中。另外，我還想要利用所有數據，來判斷用于確定尾流如何演進的傳統(tǒng)經驗方法是否仍然適用。”

Grace教授和她的合作伙伴在研究尾流演進方面，已經取得了重大進展。盡管團隊仍在繼續(xù)根據PowerFLOW數據探索關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。

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

Grace教授表示：“我們想研究葉片的響應情況，因為低階模型的核心就在于模擬流體進入并撞擊葉片的過程。我們對葉片如何響應擾動進行了各種假設，并用所有假設進行了葉片建模，而且我想知道，這個結果是否接近真實情況。我想看到完整的葉片響應情況?！?/span>

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

Grace教授指出：“我試圖將聲學響應分解為聲學和流體動力學兩個部分，事實上真的很難做到這一點。它包含了邊界層以及流體力學，如果要把流體動力學這個很重要的一部分分出去，只處理聲學部分，這真的非常困難。但是，在擁有完整的葉片數據后，我發(fā)自內心地意識到，這本身就是一個棘手的問題。我以前之所以未能成功，并不是因為我們只有少數幾個點的實驗數據。我現在才真正體會到，整個分離過程有多么困難，而這是一個很好的結果，我從中獲益良多。”

05穩(wěn)步前行

最終，從這個項目中建立了一種持續(xù)產出成果的合作關系。

Grace教授表示：“這個項目讓我得以與達索系統(tǒng)的團隊共事，而且我們將繼續(xù)合作下去。例如，我們下一個研究課題將是關于邊界層吸入式發(fā)動機。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低階建模。從我們的工作中，我知道了如何與PowerFLOW的輸出進行交互，以及我能從一次仿真中提取什么類型的信息，同時我也結識了一些精通仿真的專業(yè)人士?！?/span>

Grace教授在波士頓大學的科研工作也因此開辟了新的方向。

Grace教授認為：“與達索系統(tǒng)的合作，幫助我能夠從一些新的方向推進我的工作，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研究中心的一項新合作?！?/span>

Grace教授將這種效應描述為“如同踏過一塊塊進階石”。隨著該項目為她帶來了更多的研究機會與經費，這也意味著在她的團隊中工作的研究生不僅能夠獲得實踐經驗，還獲得了更多的資金支持。

Grace教授指出：“這次合作經歷給我?guī)砹?00%積極的成果。我發(fā)現達索系統(tǒng)在分享數據集方面極為慷慨。他們真正想知道是否有改進PowerFLOW工具的方法，以及它如何能夠在聲學領域為我們提供幫助。他們也對流體力學方向的科研工作很感興趣，并常常邀請我們開展一些驗證工作。這種合作關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>