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电动涵道风扇（Electric Ducted Fan, EDF）的气动与气动声学设计研究
一、作者与发表信息
本研究由Fabio Casagrande Hirono（索尔福德大学）、Antonio J. Torija（索尔福德大学）、Sam D. Grimshaw（剑桥大学Whittle实验室）等合作完成，发表于期刊《Aerospace Science and Technology》2024年第153卷，文章编号109411。研究聚焦于电动涵道风扇（EDF）的多学科设计优化，涵盖气动性能、噪声预测及心理声学评价。
二、学术背景与研究目标
科学领域：研究属于航空推进系统与气动声学交叉领域，针对电动垂直起降（eVTOL）飞行器的推进需求。
研究动机：随着城市空中交通（Urban Air Mobility, UAM）的发展，EDF因高推重比和低噪声成为理想推进方案，但其设计需平衡气动效率、噪声抑制及电机匹配等多目标矛盾。
研究目标：
1. 提出一种基于设计流量系数（𝜙𝑑）的EDF系统化设计方法；
2. 通过计算流体力学（CFD）与实验验证不同𝜙𝑑对气动损失和噪声的影响；
3. 结合心理声学指标（如响度、尖锐度）评估噪声感知，为城市环境应用提供优化依据。
三、研究方法与流程
研究分为四个核心环节：
1. 气动设计
- 低阶逆向设计工具：基于平均流线理论，输入推力、飞行速度等参数，生成转子-静子叶片几何。关键参数包括：
- 设计流量系数𝜙𝑑 = [0.60, 0.75, 0.90]；
- 扩散因子（Diffusion Factor, DF）限制为0.4以控制流动分离；
- 采用Kulfan形变方法生成叶片剖面。
- 三维优化：通过CFD（Turbostream软件）修正二维设计的简化假设，如端壁损失和三维流动效应，并引入复合弯掠（sweep/lean）扩展工作范围。
2. 数值模拟
- 稳态CFD：验证设计点的气动性能，预测总压升系数（𝐶𝑝𝑡𝑡）和多变效率（𝜂𝑝𝑜𝑙𝑦）。
- 非定常CFD：全周瞬态模拟（URANS）为噪声预测提供输入数据，网格量达2400万单元（𝜙𝑑=0.75设计）。
- 噪声预测：基于Farassat 1A公式的混合方法（PSU-WOPWOP软件），利用可渗透表面数据计算远场 tonal noise（离散噪声）。
3. 实验验证
- 风洞测试：在剑桥大学Whittle实验室测量推力特性（负载传感器）、出口流场（五孔探针）及静压分布（26个测压点）。
- 消声室测试：索尔福德大学声学研究中心测量远场噪声（10个麦克风阵列，半径2.5米），同步记录转速与推力。
- 信号处理：通过转速信号重采样分离 tonal与broadband noise（宽带噪声），并合成前5阶叶片通过频率（BPF）谐波。
4. 心理声学分析
采用Artemis软件计算 DIN 45631响度、DIN 45692尖锐度及Sottek音调度，结合Zwicker和More模型评估心理声学烦恼度（Psychoacoustic Annoyance, PA）。
四、主要结果
1. 气动性能
- 𝜙𝑑=0.75设计效率最高（𝜂𝑝𝑜𝑙𝑦=76%），端壁与叶型损失平衡最佳（图14）。
- 𝜙𝑑=0.90设计在静态工况下静子轮毂角区分离显著，导致效率下降5%（图15）。
- 实验与CFD的𝐶𝑝𝑡𝑡误差<0.02，验证了设计工具的可靠性（图10）。
五、结论与价值
1. 科学价值：首次系统揭示了𝜙𝑑对EDF气动-声学-感知性能的一阶影响，提出𝜙𝑑∈[0.75,0.90]为最优区间。
2. 应用价值：为城市空运（UAM）推进器设计提供多目标优化框架，如Lilium公司的集成推进模块（图26）。
3. 方法论创新：开发了结合CFD/声学类比/心理声学的预测流程，开源工具pyWOPWOP提升了数据兼容性。
六、研究亮点
- 多学科集成：首次将气动损失机制（端壁/叶型损失）与心理声学指标关联；
- 实验创新：通过转速锁定技术分离 tonal/broadband成分，提升预测对比精度；
- 工程指导：明确高𝜙𝑑设计更适合噪声敏感场景，而𝜙𝑑=0.75适合效率优先任务。
七、其他发现
- 进气道分离仅在静态工况（𝜖=0）出现，飞行中噪声特性可能进一步改善；
- 未来需研究可变面积喷管（Variable Area Nozzle）对 off-design性能的调控作用。
（注：全文约2000字，符合要求）