应用于跨声速旋翼气动声学计算的两种时域方法的比较

高速脉冲噪声(HSI)与流动非线性效应密切相关,是跨声速旋翼的主要声源之一。采用理论分析和数值实验相结合的方法,对预测HSI噪声的FfowcsWilliams-Hawkings方法(简称FW-H方法)和Kirchhoff方法进行了比较和分析。理论分析从两种方法的控制方程出发,采用广义函数方法对方程源项进行整理和比较,证实在线性区域Kirchhoff方程可视为FW-H方程的有效近似。数值实验以UH-1H悬停旋翼跨声速气动噪声计算为例,由三维Euler方程数值模拟提供近场气动数据,并在同一控制面上分别采用FW-H方法和Kirchhoff方法对远场噪声进行定量预测。计算结果表明,如果适当构造控制面,2种方法均能有效地预测跨声速旋翼非线性HSI噪声。进一步研究了控制面位置及控制面上物理参数时间导数计算精度对计算结果的影响,发现控制面位置对Kirchhoff方法计算结果具有决定性的影响,而控制面上物理参数时间导数的计算精度对FW-H方法计算结果具有重要影响。     

基于非结构网格CFD技术的旋翼气动噪声计算方法研究

将基于非结构网格技术的旋翼流场CFD计算方法与基于FW-H和Kirchhoff方程的声学方法相结合,建立了一套既适合于直升机旋翼厚度、载荷和桨-涡干扰噪声,又适合于跨声速高速脉冲噪声的综合计算模型。为提高旋翼流场及桨叶表面气动载荷计算的精度,主控方程的求解采用了三维可压非定常的N-S方程,网格划分则使用非结构运动嵌套网格方法。在噪声计算中,通过FW-H方法计算旋翼的厚度噪声和载荷噪声,并选取能够包含流场非线性区域的旋转面作为Kirchhoff积分面,由Kirchhoff方法计算包含四极子项的高速脉冲噪声。应用该模型,以AH-1旋翼为算例,计算了不同飞行状态下的旋翼气动噪声,并与可得到的试验结果进行比较,验证了方法的有效性。然后,着重对两种声学方法对计算结果的影响进行了对比研究,并分析了旋翼厚度噪声、载荷噪声和四极子噪声的特性。     

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。     

旋翼桨尖形状对噪声影响量级的研究

在求解直升机旋翼流场的基础上,预测了旋翼悬停状态下的高速冲击远场噪声,并且针对不同桨尖形状所引起的气动噪声量级作了对比计算,分析了噪声产生机理,并提出了有利于降噪的方法,体现出旋翼CFD技术与Kirchhoff方法相结合的良好应用前景。     

飞机螺旋桨噪声的数值计算

介绍一种螺旋桨厚度噪声和载荷噪声声压时间历程的计算方法。本方法是基于对FW-H方程的准确求解,并限制螺旋桨叶尖相对速度为亚音速。螺旋桨几何参数以及观察点位置等在三个坐标系中描述,应用Newton迭代法求解延迟时间方程,表面积分是应用标准三次样条函数计算,最后应用标准FFT程序计算噪声的频谱。通过实例计算发明本文方法计算的时域和频域结果均令人满意。     

基于Kirchhoff方法的亚声速平面混合层主涡对并声场分析

为拓展主涡对并气动声场计算分析方法研究,针对亚声速平面混合层主涡对并流动,采用直接数值模拟(DNS)方法求解获取近场声源,利用二维Kirchhoff频域法和时域法外推声辐射远场,并应用Kirchhoff频域法对主涡二次对并声辐射特征进行分析。研究结果表明:Kirchhoff频域法和时域法具有一定差异性,但与主涡对并直接声计算结果对比,显示二者计算精度相当且均具有较高的精确性。通过Kirchhoff频域法应用分析,清晰揭示出主涡二次对并各声模态与主涡卷起、对并过程的对应相关性,利用频域法这种良好的计算分析性能,本文进一步研究了混合层入口扰动相位差对涡并声场的影响,展现出主导声波在声场中的重要作用。     

Aeroacoustic analysis of high tip-speed rotating blades

The evaluation of the noise generated by a high tip-speed rotating blade is obtained in time domain through the Ffowcs Williams–Hawkings (FW-H) equation and a numerical procedure developed to model the so-called ‘emission surface’. This procedure, named K-Algorithm, allows us to account for the contribution of the supersonic sources and has been recently improved to reduce the computational effort and to treat some advanced (rotor and propeller) configurations. The method is tested on some complex blade geometries and proves to be robust and effective in predicting both the FW-H linear terms from a supersonic tip speed blade and the quadrupole source terms for a hovering rotor at delocalized operating condition.     

Impedance Calculations for Elements of Sonar Arrays by Neural-Network-Based Integration

In this paper, a technique of neural network based integration is proposed to calculate the self-and mutual-impedances within arrays of sonar transducers. The multi-dimensional integrals appearing in self-and mutual-impedance formulations are transformed into neural-network-based integration and the final results can be found from look-up tables in mathematical handbooks. Initially, the integrand is modeled by a trained neural network. Integration on the integrand then becomes integration on the linear combination of weights and basis functions within the neural network. The results will become the linear combination of error functions which can be looked up in mathematical handbooks. Numerical simulation shows that the results calculated by the proposed method are consistent with those given in other existing studies. The proposed technique requires neither numerical nor artificial integration procedure. Due to the inherent learning and predicting property of neural network, only a small number of sampling points for the integrand are required in the proposed integration technique.     

一种快速计算螺旋桨气动声学特性的数值方法

在低速螺旋桨性能计算方面,涡格法是快速有效的方法。但是在计算表面压力分布时,传统的涡格法遇到了无法克服的困难。本文推导出在叶片表面布置分布涡强的方法,既保持了涡格法计算快的优点,又较好地计算出叶片表面压力分布。以此为基础,本文采用FW-H方程忽略四极子效应的时域解法,使用与气动计算相同的表面网格,快速解出了螺旋桨的远场声学特性,计算结果与实验结果符合程度较好。说明该一体化方法可以用于螺旋桨噪声机理分析和低噪声螺旋桨设计,从而为分析螺旋桨噪声机理和设计低噪声螺旋桨提供简便工具。     

基于 LES 方法的增升装置气动噪声特性分析

在气动噪声数值计算中,流场的求解精度对涡流扰动的细节计算以及声学的求解结果有着重要的影响。本文应用 LES 方法对增升装置的流场进行数值模拟,采用可穿透积分面的 Ffcows Wil1iams-Hawkings(FW-H)积分方法进行远场噪声计算。采用圆柱绕流算例对本文的数值计算方法进行了验证,验证结果表明：本文所使用的LES 方法能准确地捕捉到涡脱落、流动分离等非定常流动现象,可为远场气动噪声的计算提供精确的近场流动的数值解;基于 FW-H 的声类比方法能够精确高效求解远场气动噪声。在此基础上,对增升装置噪声产生的流动特性、远场特性、风速影响等进行了数值模拟研究。结果表明：缝翼产生气动噪声的主要原因是,流动在缝翼和主翼之间的凹槽形成的不稳定波以及缝翼钝后缘的小脱落涡;襟翼产生气动噪声的主要原因是,襟翼附近由于流动分离产生的高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡。     

多喷管射流气动声学特性的数值研究

采用大涡模拟结合动力Smagorinsky亚格子模型对四喷管超声速高温射流进行了三维非稳态数值模拟。基于非稳态计算的结果,利用FW-H面积分方法对四喷管射流远场的声学特性进行计算,并将结果与单喷管得到的结果进行对比。结果表明,多喷管射流形成了复杂的流场,其产生的气动声场并不仅仅是单喷管简单的叠加,由于四股射流之间的相互影响使得声场也产生了新的特点,不但表现在总声压级数值上,还对改变了射流噪声辐射的指向性,最大声压级的位置由原来的50°左右变化到30°。     

反射面天线的双站雷达截面

 本文导出了任意旋转反射器天线在任意双站角的散射场和雷达截面(RCS),其中反射场由几何光学法(GO)求得,绕射场则利用基于物理绕射理论(PTD)与等效线电流辐射积分公式导出的等效电磁流法求得。分别计算了轴向入射和偏轴向入射时在任意散射方向上水平极化与垂直极化两种情况下的双站RCS,并给出了这些结果的立体图形式。方法简化为单站情况时的计算结果与实验值大致相符。     

计算机翼跨声速压力分布的格林函数方法

本文给出一种用格林定理将跨声速小扰动速势方程化成积分方程式,然后进行数值求解的方法,文中对场元强度进行松弛迭代,一般只需20次左右即达收敛。算例表明,该方法结果与差分法结果一致。     

考虑飞机舱壁影响的螺旋桨声场时域预测法

通过引入镜像法,给出了一种能近似包含舱壁边界曲率影响的螺旋桨噪声时域预测法,其基本思想是把飞机舱壁当作无限长圆柱边界,在时域里求解该边界空间中的FW-H方程来预测螺旋桨辐射声场。数值计算结果表明,飞机舱壁对螺桨辐射声场有影响,且随舱壁曲率变化而变化,计及这些影响将有助于预测合理的舱壁表面螺桨辐射声场;另外,对螺桨飞机多个螺桨之间的干涉机制进行了一些初步的研究,计算结果表明,多桨之间的干涉严重,可以通过改变螺桨之间的相位差改变其干涉机制,以获得较低的舱壁表面噪声分布。     

A Comparison of Numerical Methods for Solving Optimal Control Problems

Linear systems with quadratic performance criteria typically lead to two-point boundary value problems. The numerical solution of such problems is often difficult because of roundoff and truncation errors. In this paper numerical methods for digital computer solutions are considered for a system described by a given second-order linear differential equation and the results are compared. The results show that where accurate analytic solutions cannot be obtained, the invariant imbedding technique yields more accurate results, for a given integration grid interval, than the other methods considered.     

基于Kirchhoff方法的跨音速螺旋桨的气动声学计算

本文采用Kirchhof方法计算双桨叶Hartzel跨音速螺旋桨的远场气动噪声。Kirchhoff面为包围整个螺旋桨的固定圆柱面,首先采用FLOWer软件包直接求解Euler方程得到圆柱内和圆柱面上的近场气动流场解,然后根据Kirchhof方法求解远场声场。通过计算详细研究了圆柱的直径和高度对远场声场的影响,以及圆柱各部分对远场声压的贡献,文中同时给出了Farassat线性方法的计算结果。      

航空板结构强度的边界元法

边界元即边界积分方程方法,可方便地用来解板弯曲问题。本文在局部极坐标下建立公式,采用具有较高协调性的函数插值方案,利用外点技术完全避免边界奇异积分。列举的一系列算例表明该方法输入数据少、机时省、精度高,是板结构强度分析的一个有效方法。     

Interaction tonal noise generated by contra-rotating open rotors

Fast and accurate prediction of sound radiation of Contra-Rotating Open Rotors(CRORs) is an essential element of design methods of low-noise open rotor propulsion systems.In the present work, a previous frequency-domain model is extended to predict CROR noise. It builds explicitly the relationship between harmonic loadings and corresponding tonal noise, by which the influential parameters to noise generation can be clearly understood. The real distributions of steady and unsteady blade loadings ...     

两种跨声速气动弹性问题分析研究

在非结构运动网格基础上,采用中心有限体积法进行空间离散和双时间方法进行时间推进求解非定常欧拉方程.通过与气动力方程的联立求解,在时域内用四步龙格-库塔方法求解结构运动方程.分析和研究了二维嗡鸣和三维机翼颤振这两种跨声速非线性气动弹性问题.二维嗡鸣问题的研究考虑了翼面-舵面系统的缝隙间网格运动、缝隙对嗡鸣的影响和扰流片对嗡鸣的抑制.耦合多自由度Lagrange结构运动方程数值模拟了三维机翼的颤振问题.通过跨声速标模算例AGARD445.6机翼的颤振计算,计算的颤振临界速度与实验值有5%左右的误差,验证本方法的正确性.由于本方法是在对外形具有良好普适性的非结构动网格基础上完成的,具有良好的工程实践价值.     

一种亚音螺旋桨声场中间面快速算法

发展了一种改进的亚音螺旋桨声场中间面快速算法。通过引入薄翼假设,在时域里求解ＦｆｏｗｃｓＷｉｌｌｉａｍｓ＆Ｈａｗｋｉｎｇｓ（ＦＷ－Ｈ）方程,对处于自由空间中的亚音螺旋桨声场进行预测。数值计算结果表明,与目前广泛运用的全表面公式（ＳＦＳＭ）、旧中间面公式（ＯＭＳＭ））相比,新发展的快速近似算法（ＮＭＳＭ）所需计算时间和计算机内存约为ＳＦＳＭ方法的５０％,ＯＭＳＭ方法的５０～６０％。若与跨音消失球法（ＴＣＳＭ）相比,所需ＣＰＵ时间只有ＴＣＳＭ法的１０～１３％;而且计算结果也在工程精度允许范围内。在螺旋桨工程设计初期以及所需精度不太高的场合,该法不失为一种可靠的快速算法。