Computational approach for investigation of thrust and acoustic performances of present-day nozzles

A computational viewpoint on the problems of design and numerical simulation for the nozzles of modern aircraft turbofan engines is presented. Modern concepts of noise-suppressing nozzles for civil aircraft are reviewed. Examples of application of CFD (computational fluid dynamics) methods to the analysis of nozzle flow structure and assessment of nozzle thrust characteristics are given. Errors of turbulence models in simulation of jets are analyzed. The authors’ experience in simulation of noise-suppressing nozzles for supersonic civil aircrafts is demonstrated. Insufficient accuracy of acoustic analogies for this class of tasks is shown, but a possible area of acoustic analogies application is noted. The essential elements of computational aeroacoustics (CAA) approach and numerical methods characteristic of CAA are reviewed. Numerical methodology for the simulation of nozzle acoustic performance is described in detail, including methods for simulation of near and far field of a nozzle, for generation of input perturbations and for the processing the far-field noise. Results of verification and methodical analysis of this acoustic methodology are presented.     

Review of numerical simulations for high-speed, turbulent cavity flows

High speed flows inside cavities are encountered in many aerospace applications including weapon bays of combat aircraft as well as landing gear. The flow field inside these cavities is associated with strong acoustic effects, unsteadiness and turbulence. With increasing emphasis on stealth operation of unmanned combat air vehicles and noise concerns near airports, cavity flows attracted the interest of many researchers in aerodynamics and aeroacoustics. Several attempts were made using wind tunnel experimentation and computational fluid dynamics analyses to understand the complex flow physics associated with cavity flows and alleviate their adverse effects via flow control. The problem proved to be complex, and current research revealed a very complex flow with several flow phenomena taking place. With the aid of experiments, CFD methods were validated and then used for simulations of several cavity configurations. The detached-eddy and large-eddy simulation methods proved invaluable for these studies and their application highlights the need for advanced turbulence simulation techniques in aerospace. The success of these methods and a summary of the current status of the experimental and computational progress over the past twenty years is summarised in this paper.     

飞机起落架气动噪声特性仿真与试验

 对某型飞机前起落架的气动噪声特性进行了数值仿真分析和声学风洞试验研究。在典型飞机着陆速度下,采用分离涡(DES)方法模拟起落架周围非定常湍流流场,通过涡声理论计算声源的强度和位置,并利用FW-H(Ffowcs-Williams/Hawkings)方程积分外推法求解出不同部件及其组合件产生的声场,分析其噪声的产生机制、频谱特性及远场指向特性,同时评估各部件对总噪声的贡献量。在声学风洞中对轮胎和轮叉组合件进行气动声学试验,借助麦克风测量获得了噪声的频谱特性。基于部件固体表面积分计算的仿真结果与试验结果在声学远场条件下吻合较好。仿真结果表明:起落架气动噪声是钝体绕流噪声和空腔噪声的叠加,呈现宽频噪声的特性。强度最大的声源主要分布在起落架各部件的固体表面;轮胎噪声对总噪声的贡献最大,其次是轮叉噪声,支柱噪声对总噪声贡献最小。各部件噪声和总噪声均具有偶极子声源的辐射特性。空间可穿透积分面计算的声压级结果比固体表面计算的声压级结果大5 dB左右。该研究结果为低噪声起落架设计提供了一定的参考。     

某型飞机起落架结构件气动噪声仿真与试验研究

起落架噪声是飞机着陆阶段噪声的主要组成部分。以某型飞机前起落架为研究对象,通过分离涡模拟方法对其支柱及扭力臂结构件简化模型的周围流场进行非定常计算,利用Fw—H方程积分法对各部件表面产生的声场进行求解,分析缓冲支柱及扭力臂结构件气动噪声的产生机制、声源特性。对该飞机起落架支柱及扭力臂结构件进行声学风洞试验,通过麦克风对噪声的测量获得结构件噪声频谱特性。仿真及试验结果均表明：支柱及扭力臂结构件气动噪声包含支柱和扭力臂引起的钝体扰流噪声和两者相对位置引起的干扰噪声,支柱噪声对总噪声的贡献大于扭力臂噪声,噪声辐射特性具有偶极子声源的辐射特性。     

舱门对起落架流场和气动噪声的影响研究

前起落架一般具有异于主起落架的双侧对称舱门,民用飞机进场降落时打开的前起落架舱门必然对起落架流场和噪声产生干扰阻挡和反射作用。为了研究前起落架舱门对起落架流场和噪声的干扰阻挡效应,采用两轮起落架标模对改善的延迟分离涡模拟（IDDES）方法和福克斯·威廉姆斯—霍金斯（FW-H）方程进行数值方法验证;在数值计算方法准确可靠的基础上,对某民用飞机高保真前起落架有舱门和无舱门的两种模型的流场特征和远场辐射噪声特性进行对比计算分析,分析舱门附近流动演化过程及舱门对远场辐射噪声的影响。结果表明：由于舱门迎风端面非平直面,稍向内侧弯曲与来流具有一定夹角,导致在其前端引起当地流动分离,进而扩散到整个舱门之间的区域;两侧舱门阻挡干扰气流向展向扩散并撞击舱体侧面边缘的趋势,遮挡反射舱体前缘剪切流失稳撞击起落架产生的压力波,减弱了起落架的侧边噪声并形成声波干涉现象。     

大型客机前起落架气动噪声源三维阵列识别技术研究

起落架噪声作为现代大型飞机机体噪声在起降阶段的主要贡献成分,其噪声机理较为复杂,涉及到钝体湍流涡脱落噪声、腔体部件空腔噪声以及起落架舱腔体与支柱柱体之间的非线性耦合噪声。由于起落架中存在复杂的三维流场以及声波的反射和绕射会产生噪声,而二维麦克风阵列在垂向的分辨率较差,无法获得声源完整且准确的三维空间分布信息,因此采用三维麦克风阵列技术对起落架噪声进行研究。使用3D Beamforming算法(波束成形算法)和3D CLEAN-SC算法(空间相干的洁净算法)结合同步测量和非同步测量的方式实现了对模拟信号和实际测量数据所得频谱中特定的离散声进行声源识别定位,并在北航D5低速风洞进行开口段气动噪声实验,以1/2缩比的LAGOON起落架为研究对象,在过顶和流向方向布置两组平面阵列,构成三维阵列进行同步和非同步的噪声测量,确定了起落架中主要噪声源的位置,对认知噪声机理提供了新的借鉴和思考。     

民用客机缝翼气动噪声数值模拟研究

气动噪声水平是衡量民用客机设计水平的重要指标之一。在飞机着陆过程中,增升装置缝翼是机体气动噪声的重要噪声源。通过求解非线性扰动方程对增升装置缝翼噪声进行了二维数值模拟研究。分别针对不同来流攻角以及主翼钝后缘和尖后缘研究了缝翼噪音的频率特性。计算结果表明,缝翼缝道内的非定常涡是产生噪声的主要原因,随着来流攻角的减小,缝道内的非定常涡强度增大,活动区域变宽,进而辐射更多的噪声,从非定常声场及噪声的频率特性来看,缝翼噪声是一种偶极子声源,具有明显的宽频特性,主要噪声源集中在低频到中频段,随着频率增大,噪声幅值逐渐衰减。数值模拟较好地捕捉到了缝翼噪声源的发声机制和频率特性,为噪声控制打下了良好的基础。     

锯齿单元对起落架/舱体耦合噪声抑制试验

当前中国民用飞机高速发展，噪声排放问题受到广泛关注。在飞机起降阶段，飞行高度较低且处于机场附近，其噪声直接影响到机场地面周围环境。该阶段内起落架噪声占比较大，成为研究的重点。此外，起落架在收放过程中，除自身脱落涡产生的噪声外，当起落架舱门开启时，舱体空腔内产生自持性振荡噪声，与起落架噪声一起形成更为复杂的起落架+舱体耦合噪声，直接影响到整个着陆系统噪声水平，因此研究起落架与舱体耦合噪声产生机理和抑制措施显得尤为必要。以简化的起落架及其舱体为研究对象，提出一种低马赫数（0.2Ma/0.25Ma）条件下，利用前缘锯齿扰流单元对起落架/舱体耦合噪声进行抑制的方法，并在0.55 m×0.4 m航空声学风洞进行试验验证。首先，从起落架及其舱体耦合噪声产生原因进行分析，分别明确起落架和舱体在耦合噪声各个频段的贡献作用。随后，在舱体空腔前缘安装锯齿扰流单元，以改变自由来流状态，验证降噪措施；同时采用参数化研究方法，研究锯齿扰流单元不同偏角对降噪效果的影响。最后，将起落架模型安装于舱体空腔内，分析锯齿扰流单元对耦合噪声的抑制能力。研究结果表明，锯齿形扰流单元对舱体腔体噪声与起落架/舱体耦合噪声具有明显降低作用，在本试验条件下，30°安装角最佳。预期成果可以应用于起落架/舱体耦合降噪。     

基于边缘射流的起落架气动噪声控制研究

:起落架噪声可以看成是一系列结构件单独引起的气体扰流噪声以及这些不同结构件相对位置引起的干扰噪声的耦合.为了降低起落架气动噪声,提出一种基于边缘射流的主动控制技术.以某型飞机前起落架为研究对象,在其扭力臂背风面施加射流,利用分离涡脱模拟方法对其支柱和扭力臂结构简化模型的周围流场进行非定常计算,获取声源分布,采用FW-H积分获得远场噪声特性.结果表明:边缘射流能够有效抑制干扰噪声和支柱噪声,起落架的中频噪声得到一定幅度的下降,宽频噪声强度也有所减弱;射流改变扭力臂尾涡的脱落状况,可以减轻甚至消除涡脱落对支柱的冲击,从而减弱了支柱表面由于撞击而产生的脉动压力,达到降低声源强度的目的.     

基于Mohring声类比的开式转子发动机噪声分析

为了系统地研究非均匀流场中开式转子的噪声特性,运用计算流体动力学(CFD)和计算气动声学(CAA)无限元法相结合的方法,对开式转子的频域噪声做了数值预测。通过采用基于可压缩修正的Spalart-Allmaras湍流模型对非均匀流场中开式转子气动特性进行分析,运用声学无限元方法,引入平均流场并将其插值到声学网格作为背景流场,对转子噪声和噪声传播进行数值模拟,并对特征点做频域分析。由噪声分布云图和远场特征点频谱曲线分析得出:非均匀流场中开式转子发动机的峰值辐射噪声主要集中于低频范围,噪声最大值为142dB,峰值噪声频率为115Hz,随着频率增加,交替出现多个局部峰值声压,噪声衰减速度减小。为下一代开式转子发动机噪声预测提供一种方法。      

喷流噪声声源识别与声源机理分析方法进展

喷流噪声是航空气动噪声的主要来源,会造成严重的环境污染和健康威胁。缺乏对湍流涡如何产生 噪声辐射这一物理过程的深刻理解,是难以设计出高精度噪声预测方法和高效降噪装置的根本原因。本文总结公开发表文献中喷流噪声的声源识别与声源机理分析的研究进展和局限。从噪声由湍流脉动产生这一因果 律出发,指出未来研究仍需要对噪声和湍流脉动建立合理的物理模型和控制方程,进行合理的分离,并将噪声 脉动表示为背景湍流的广义函数,从动力学角度揭示非定常湍流涡演化产生噪声辐射的物理机理。     

基于混合方法的膨胀腔非稳态流动及气动噪声分析

采用混合方法对气流作用下的膨胀腔的非稳态流动和气动噪声进了数值仿真分析。建立基于有限体积法的流体仿真模型,采用大涡模拟方法对膨胀腔内部非稳态流动进行计算。数值仿真结果捕捉到了腔体内部非稳态流动以及涡量的发展变化过程,并与实验观测结果基本吻合。采用积分插值的方法将流场结果插入声学网格上,基于气动声学理论计算腔体内部的流噪声源。建立声学仿真模型,将流噪声源导入声场网格中计算远场响应点的声压,并与实验结果进行对比,声压级以及共振频率都吻合良好。结果表明:混合仿真方法准确直观揭示出管内流噪声产生的机理和过程,尾管辐射噪声的仿真结果与实验结果及理论计算结果的偏差都在5%以内。      

Control strategies for aircraft airframe noise reduction

With the development of low-noise aircraft engine, airframe noise now represents a major noise source during the commercial aircraft’s approach to landing phase. Noise control efforts have therefore been extensively focused on the airframe noise problems in order to further reduce aircraft overall noise. In this review, various control methods explored in the last decades for noise reduction on airframe components including high-lift devices and landing gears are summarized. We introduce recent major achievements in airframe noise reduction with passive control methods such as fairings, deceleration plates, splitter plates, acoustic liners, slat cove cover and side-edge replacements, and then discuss the potential and control mechanism of some promising active flow control strategies for airframe noise reduction, such as plasma technique and air blowing/suction devices. Based on the knowledge gained throughout the extensively noise control testing, a few design concepts on the landing gear, high-lift devices and whole aircraft are provided for advanced aircraft low-noise design. Finally, discussions and suggestions are given for future research on airframe noise reduction.     

飞机对称着陆及滑跑仿真分析

主要建立了全机和支柱式起落架缓冲支柱的数值模型,并进行了着陆和滑跑仿真计算。建模主要考虑了缓冲支柱的初始压力、初始容积、油孔面积、活塞面积、缓冲支柱行程等参数。同时给出了飞机在对称着陆和滑跑时的运动学公式,推导了缓冲支柱和轮胎垂直力的计算公式。建立了数值模型并进行着陆和不同跑道的滑跑仿真计算,这对飞机设计和指导起落架试验具有一定工程实用价值。     

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22"鱼鹰"倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的"涡-涡干扰"现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成"前低后高"的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。     

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟（LES）方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。     

弹性飞机在不平的跑道上起飞和着陆的数字模拟

本文研究了用Kane方程来建立包括起落架机构的弹性飞机系统动力方程的方法。给出了跑道表面的两种计算模型。然后,讨论了弹性飞机在起飞和着陆过程中的姿态、速度、加速度和动载荷的数字模拟方法,计及起落架诸大构件的惯性力和惯性力矩对飞机系统运动的影响。作为一个简单的例子,本文模拟了KC-135飞机的对称起飞和着陆。     

航空弧齿锥齿轮副风阻功率损失分析与优化

基于CFD理论，利用Fluent求解软件，借助超级计算机强大的并行运算能力对航空弧齿锥齿轮副风阻功率损失进行仿真计算。采用局部综合法建立弧齿锥齿轮副三维模型，选用RNG k-ε湍流模型，考虑平均流动中的旋流流动情况，与标准k-ε模型相比，RNG通过修正湍流黏度并很好地处理了高应变率以及流线弯曲程度较大的流动。齿轮边界运动通过UDF(user-defined functions)函数驱动，同时采用动网格模拟流场形状由于边界运动而随时间改变问题。最后得出无挡风罩和不同挡风罩配置下的齿轮副风阻功率损失，证实了合理安装挡风罩能够有效降低齿轮风阻损失，并分析多组仿真实验间的减速器内流场压力、速度、湍流动能云图变化，得出了最优化的挡风罩配置，以求最小化风阻功率损失，文中减阻效果最好的挡风罩能降低55.3%的齿轮风阻损失，此时挡风罩间隙为1 mm，为工程实际应用挡风罩的设计提供了参考。     

飞机起落架动力学建模及着陆随机响应分析

针对飞机起落架弹性结构特征的动力学建模及其离散结构简化响应分析问题,利用哈密顿变分原理,提出并建立了弹性结构的起落架动力学模型。根据此动力学模型,可自由选择起落架的结构离散数量进行动力学方程的求解和响应分析。以某型飞机着陆过程为研究实例,使用随机模拟方法,通过模拟飞机着陆下沉速度、初始位移和路面不平度,分析了飞机着陆过程起落架的随机响应特征,确定了起落架的实际动力学性能和应力应变特性,为后续起落架的结构参数优化及其疲劳性能分析提供了基础参考依据。     

Kirchhoff方法在旋翼前飞噪声预测中的应用研究

将CFD(计算流体力学)技术与噪声预测的Kirchhoff方法相结合,发展了前飞状态下直升机旋翼远场气动噪声的定量预测方法,得到了旋翼噪声的时域解。先用具有解析解的“点源”流动代替旋翼流动,通过比较计算值与理论值,验证了该预测方法的可行性和可靠性;尔后针对AH—1／OLS旋翼模型的两种前飞状态进行计算,通过比较计算值与实验值,进一步验证了本文方法及其所发展的程序的正确性。