شبیه‌سازی آکوستیکی اختلاط جریان‌های سرد و گرم توسط میکسر کنگره‌دار در یک موتور توربوفن باکنارگذر بالا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه مالک اشتر

2 مجتمع انشگاهی مکانیک، دانشگاه مال اشتر

3 واحد مهندسی و تعمیرات، شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا(توگا)

چکیده

قوانین و مقررات مربوط به کاهش صدا برای موتورهای توربوفن، نیازمند ایجاد پیکربندی‌های مؤثر در جلوگیری از صدای جت موتور می‌باشد. میکسرهای کنگره‌دار به عنوان یک وسیله مؤثر کاهش صدا برای موتور‌های توربوفن شناخته شده‌اند. در این تحقیق، اختلاط جریان هوای سرد و گرم در یک میکسر کنگره‌دار برای یک موتور توربوفن با کنارگذر بالا شبیه‌سازی شده است. معادلات ناویراستوکس به‌صورت سه‌بعدی، تراکم‌پذیر، پایا و مغشوش درنظر گرفته شده‌اند. برای حل جریان مغشوش، از مدل اغتشاشی  استفاده شده است، همچنین جهت بررسی قدرت آکوستیکی، از روش منابع نویز صوتی پهن باند استفاده شده است. در این تحقیق، در ابتدا، روش شبیه‌سازی مورد اعتبارسنجی قرارگرفته و نتایج حاصل از شبیه‌سازی با نتایج تجربی دیگران مقایسه شده است. سپس تأثیر میکسر کنگره‌دار در اختلاط جریان‌های سرد و گرم و کاهش نویز توسط آن در یک موتور توربوفن با کنار گذر بالا مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می‌دهد، ماکزیمم قدرت آکوستیکی در فاصله 14 متری از نازل در حدود 72 دسی‌بل به‌دست آمد که با دور شدن از نازل موتور، میزان قدرت آکوستیکی کاهش می‌یابد. همچنین، مقدار ماکزیمم قدرت آکوستیکی بر روی هسته مرکزی، درخروجی نازل از حدود 90 دسی‌بل، به 72 دسی‌بل کاهش یافته است. ماکزیمم قدرت آکوستیکی بر روی سطح میکسر در ناحیه نزدیک به جریان هسته مرکزی در حدود 95 دسی‌بل مشاهده شد. در نهایت می‌توان نتیجه گرفت که اختلاط دو جریان توسط میکسر منجر به کاهش قدرت آکوستیکی و افزایش یکنواختی آن در خروج از نازل می‌شود و با عبور جریان از نازل، میزان قدرت آکوستیکی نزدیک هسته مرکزی افزایش می‌یابد. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Acoustic Simulation of Hot and Cold Flow mixing by a Lobed Mixer in a High Bypass Ratio Turbofan Engine

نویسندگان [English]

  • sadegh fazeli 1
  • Rouhollah Khoshkhoo 2
  • Alireza Khoeini Poor far 3
1 Malek Ashtar University
2 Faculty of Mechanical Engineering, MUT
3 PhD of Mechanical Engineering, Maintenance Engineering Department, Mapna Turbine Engineering and Manufacturing Company (TOGA)
چکیده [English]

Noise reduction laws for turbofan engines require effective configurations to reduce jet engine noise. Lobed mixers are known to be effective for noise reduction in high bypass ratio turbofan engines. In this study, a mixture of hot and cold flow is simulated in a lobed mixer for a high bypass ratio turbofan engine. Navier-Stokes equations are considered three-dimensional, compressible, steady, and turbulent. To solve the turbulent flow, the turbulent model has been used; besides, to investigate the acoustic power, the Broadband noise source model was applied. In this research, first, the simulation method was validated and the results were compared with the experimental data of previous studies. Then, the impact of the lobed mixer was investigated on mixing hot and cold flow and noise reduction in a high-bypass ratio turbofan engine. The results of this study show that the maximum acoustic power was obtained at about 72 dB at a distance of 14 meters from the nozzle, decreasing by moving away from the engine nozzle; also, the maximum amount of acoustic power in the central body at nozzle exit has decreased from about 90 dB to 72 dB. The maximum acoustic power was observed at about 95 dB on the mixer surface next to the central body flow. Finally, we can conclude that a mixture of flow reduces the acoustic power and improves its uniformity at the nozzle exit while increasing the acoustic power near the central body.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lobed Mixer
  • Turbofan Engine with High Bypass Ratio
  • Numerical Simulation
  • Acoustic

مراجع

  1. Barber, G. Muller, S. Ramsay, E. Murman, Three-dimensional inviscid flow analysis of turbofan forced mixers, 23rd Aerospace Sciences Meeting, (1985).
  2. Krasnodebski, Numerical simulations of lobed mixer flow fields, MSc. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, (1995).
  3. Hui, T. Kobayashi, T. Saga, N. Taniguchi, S. Segawa, Mixing process in the jet flow of lobed nozzle. korea-japan Joint Seminar on Particle Image Velocimetry, Yokohama, Japan, (1998).
  4. Mengle, W. Dalton, J. Bridge, K. Boyd, Noise reduction with lobed mixers-Nozzle-length and free-jet speed effects. AIAA, AIAA No.97-1682, (1997).
  5. Wright, A. Mahallati, J. Militzer, Isolating Effects of Area Ratio From Lobe Number for Turbofan Engine Exhaust Systems, ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition, (2014).
  6. Skebe, R. Paterson, T. Barber, Experimental investigation of three-dimensional forced mixer lobe flow fields, 1st National Fluid Dynamics Conference, (1988).
  7. Xie, Y. Liu, Numerical investigation of mixing length on performance of lobed forced mixer nozzles. Heat Transfer Asian Research, 40(3) (2011) 205-211.
  8. J. Brinkerhoff, H. Oria, M. Yaras, Experimental and computational study of mixing mechanisms in an axisymmetric lobed mixer. Journal of propulsion and power, 29(5) (2013) 1017-1030.
  9. Ishii, K. Nagai, H. Oinuma, T. Oishi, R. Kagaya, Y. Ishii, Noise Measurement of Small Turbofan Engine with Notched Nozzle for Jet Noise Reduction, AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, (2018).
  10. Fang, C. Shen, M. Sun, R. Sandberg, P. Wang, Flow structures of a lobed mixer and effects of streamwise vortices on mixing enhancement. Physics of Fluids, 31(6) (2019) 066102.
  11. Burt, J. Seidel, S. Leib. Assessment of mixer-ejector nozzle with thermal acoustic shield for jet noise reduction. AIAA Aviation 2019 Forum, (2019).
  12. Burt, Variable Mixing Nozzle Design with Slotted Vortex Generators for Jet Noise Reduction. AIAA Aviation 2020 Forum, (2020).
  13. Gong, Numerical Study of Jet Noise Generated by Turbofan Engine Nozzles Equipped with Internal Forced Lobed Mixers using the Lattice Boltzmann Method, MSc. Thesis, Department of Mechanical Engineering, McGill University, (2013).
  14. Sheng, P. Huang, and T. Zhao, Configurations of lobed nozzles for high mixing effectiveness. International Journal of Heat and Mass Transfer, 91 (2015) 671-683.
  15. Wilcox, Turbulence modeling for CFD, Vol. 2, DCW industries La Canada, CA, 1998.
  16. Spalart, Comments on the feasibility of LES for wings and on a hybrid RANS/LES approach, Proceedings of first AFOSR international conference on DNS/LES, (1997).
  17. Kinsler, A. Frey, A. Coppens, J. Sanders, Fundamentals of acoustics, 4th Edition, John wiley & sons, 2000.
  18. Lighthill, On sound generated aerodynamically I. General theory, Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 211(1107) (1952) 564-587.
  19. Landau, E. Lifshitz, Fluid mechanics. Translated from the Russian by JB Sykes and WH Reid. Course of Theoretical Physics, 6 (1987).
  20. Lighthill, On sound generated aerodynamically II. Turbulence as a source of sound. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 222(1148) (1954) 1-32.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 7
مهر 1401
صفحه 1513-1532

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار