原创 刘沛清，等 空气动力学学报 2026年1月6日 14:01 四川

刘沛清 陈阅 张瑾 屈秋林 郭昊 马利川 

1.北京航空航天大学 航空气动声学工信部重点实验室，北京　100191

2.北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京　100191

3.北京航空航天大学 中法工程师学院/国际通用工程学院，北京　100191

引用本文：刘沛清, 陈阅, 张瑾, 等. 大型气动声学风洞轴流风扇气动与噪声特性数值评估[J]. 空气动力学学报, 2025, 43(10): 1−11. 

DOI:  10.7638/kqdlxxb-2025.0030

轴流风扇作为大型低噪声风洞的核心动力装置，其气动性能直接影响试验段流场的均匀性和噪声水平，尤其需避免叶根区域流动分离，以保证高气动效率。目前，轴流风扇的设计方法主要有两种。其一为孤立桨叶设计法，该方法基于单叶翼型试验数据进行设计，适用于早期增压较小、桨叶数少且桨叶间气流干扰较小的风扇，可通过自由涡流理论获得较高效率，但对于现代低速风洞中低转速、多叶片的风扇，桨叶间的相互影响不可忽略，因此不再适用。其二为叶栅设计法，基于平面叶栅理论和风洞叶栅试验数据，通过自由涡流理论修正桨叶间干扰，但随着风扇增压增大和桨叶数量增加，传统自由涡流方法易在叶根区引起绕流分离，影响整体气动性能。

与此同时，随着计算技术的发展，三维数值模拟已成为预测轴流风扇流场与噪声的核心手段，但现有常用三类方法各有局限：直接气动声学计算能够完整捕捉从叶片偶极子到湍流四极子的噪声谱，但面对高雷诺数和复杂结构时计算量巨大，工程应用受限；统计降阶模型可快速评估噪声，但在宽频带预测中存在误差，并且对复杂旋转边界的捕捉精度有限；经典FW-H方法则存在声学与流场网格强耦合、计算量大以及封闭流场噪声难以求解的问题。

研究创新点 

 为破解上述难题，本研究依托北京航空航天大学4 m × 3 m气动声学风洞（BHAW），针对低转速、多叶片条件下轴流风扇的气动、声学耦合特性，采用了任意涡流叶栅设计方法。该方法通过优化桨叶沿径向的增压分布，使叶根剖面的局部增压和扭速减小，抑制叶根区流动分离。与此同时，为了快速且较准确的预算设计风扇的气动噪声，本研究数值计算采用CFD/ACTRAN框架，通过积分法将流场信息转换为声源并插值至声学网格进行声传播计算，可准确模拟非均匀流场中声波的传播与折射，相比传统FW-H方法效率显著提升，实测与模拟结果高度吻合，验证了方法可靠性。

研究结论 

数值结果表明：气流在通过风扇过程中与风洞轴线保持平行，未发现明显分离现象，整体流动平稳，效率保持良好，说明任意涡流叶栅设计方法（涡流指数取0.85）有效抑制近叶根区的二次流与分离损失，优于传统自由涡流法。于此同时，在转速310 r/min下，开口段风速为80 m/s，噪声模拟表明风扇入口10 m处测点总声压级为124 dB，基频（理论计算为82.7 Hz）附近的离散噪声级为115 dB；风扇出口10 m处测点总声压级为123 dB，基频离散声级为113 dB。CFD/ACTRAN混合方法对风扇噪声的预测与工程估算结果较为一致, 验证了方法可靠性。 

下一步工作 

后续工作中，团队将进一步优化任意涡流叶栅参数设计，拓展轴流风扇在更宽转速范围内的高效低噪声性能。与此同时，针对风洞运行过程中可能出现的非定常工况及结构振动耦合问题，将深入研究气动噪声与结构振动的双向耦合机理，构建风扇-风洞系统的一体化声学预测模型。最后，将结合阵列麦克风测量与流场粒子图像测速（PIV）实验，对数值预测结果进行系统验证，从而完善低噪声风扇设计的实验数据库，提升风洞风扇设计与性能预测的工程适用性。