方腔流动气动噪声边界散射数值预测方法研究北大核心CSCD

方腔流动噪声问题因其流场变化复杂且剧烈而倍受关注,本文主要开展高亚声速方腔流动气动噪声数值预测方法研究。基于任意边界条件的格林函数解和Lighthill声模拟理论,提出可以考虑空间边界影响的气动噪声积分计算方法。数值模拟包含流动和噪声计算两部分,通过二阶精度的DDES模型进行流动数值模拟,边界积分方法计算散射声场分布。数值结果显示声场分布随时间呈现周期性变化,与流场的脉动及其脉动周期一致。观察点的声压级随频率逐渐下降且在谐波频率突然增大。本文计算结果与高精度计算气动声学方法计算结果相符,表明该方法合理、可靠,并且具有较高的计算效率。     

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。      

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。     

某矩形空腔在马赫数3的气动噪声特性研究

文中针对某矩形空腔在马赫数3时的空腔气动噪声特性,进行了数值计算与风洞试验研究。数值研究中使用非线性噪声分析(NLAS)方法进行空腔气动噪声计算,可有效捕捉空腔流动的主要特征,例如剪切层、主频等。试验研究表明,在马赫数3时空腔流场中出现比较明显的脉动偏振,且随站位后移,此现象明显加强;长深比5时有比较明显的反馈激励现象,4阶、8阶主频峰值较高易察觉,其他阶主频不强烈;随长深比增加,空腔逐渐变为闭式空腔,主频峰值基本消失,噪声降低明显。     

匀速及加速行驶时带后视镜轿车气动噪声的研究

应用计算流体力学软件FLUENT对带后视镜简化直背式轿车外部流场及车外某接收点处的气动噪声进行了数值计算和分析.脉动流场计算采用大涡模拟湍流模型,动量方程的离散格式采用有限中心差分格式.分别对两种匀速运动情况和一种加速运动进行了计算,由此研究不同车速、匀速和加速运动对接收点处脉动流场和气动噪声的影响.对于匀速运动,车速越大,接收点处流速越大,压力越小,脉动压力的脉动幅度越大,在每个频率上所对应的声压级基本上越大,总声压级也越大;在同一行驶速度下,加速运动比匀速运动在接收点处的流速要大,压力要小,在每个频率上所对应的声压级基本上要大,总声压级要大,声压级随频率的变化情况与匀速运动一样.      

基于声扰动方程的气动噪声传播积分计算方法

传统声比拟思想假设声传播介质均匀,所获得的远场噪声积分方法无法考虑近场流动非均匀性引起的声折射效应,声场预测结果往往存在较大的数值误差。为解决上述问题,本文采用声扰动方程描述声波运动,并利用声学互易原理,在频域内构建关联近场声源与远场声压的伴随格林函数,从而将非均匀介质折射效应纳入伴随格林函数。基于伴随格林函数和声扰动方程源项的数值结果,利用积分方程计算气动噪声的空间传播。结合上述方法对二维圆柱和NACA0012翼型绕流噪声开展了数值预测研究,远场声压预测结果与CFD直接计算值吻合。数值研究表明,本文提出的基于声扰动方程的气动噪声传播积分计算方法可以考虑非均匀介质对声传播的影响,能够提高气动噪声的预测精度。     

空冷电机气动噪声的分析与验证

介绍了空冷电机气动噪声的来源、测量方法以及工程上常用的气动噪声控制措施。以某空冷电机为例,采用CFD方法对外风路的稳态流场、瞬态流场以及声场进行了数值分析,将计算结果通过试验进行验证。这对自通风型空冷电机的气动噪声分析具有一定的参考意义。     

动态舱门对空腔复杂流动和噪声特性影响分析

为研究运动舱门对内埋弹舱（空腔）非定常流场和舱内噪声特性的影响，开发了应用于运动问题的动态嵌套重叠网格组装方法，采用改进的脱体涡模拟方法对亚声速流场（Ma=0.6）进行了高精度数值模拟。首先采用空腔标准模型（M219）验证所用的高精度数值格式的有效性，然后应用发展的方法对干净空腔（C201）、带静态舱门（30°、60°、90°和120°）的空腔以及运动舱门的空腔进行模拟，并分析静、动态舱门对空腔湍流流场和腔内气动噪声的影响。针对运动舱门的非稳态非定常流动问题，采用经验模态分解方法分析空腔中的湍流脉动特征和声压级。通过分析研究结果发现，与干净空腔相比，舱门小开度（30°）时，舱门会限制法向和展向的流动，从而降低腔内流场与外部流场的流动掺混和交换，腔内壁面总声压级比干净空腔低5～8 dB，但是两者变化趋势一致，且二阶Rossiter模态频率偏高；在打开角度较大（60°以后）时，舱门对腔内流动的影响主要表现在展向，此时空腔上方的剪切层涡结构运动的高度更高，舱门阻碍噪声的展向传播，使得腔内的总声压级升高（3～10 dB不等），二阶Rossiter模态的强度增大。然而舱门开启过程中，腔内总声压级...     

考虑地面影响的半空间气动噪声数值计算方法

含非紧致边界的半空间气动噪声问题普遍存在于航空领域,在数值计算过程中不仅要考虑非紧致边界的散射效应,还需要考虑地面对声波的反射。基于Lighthill声模拟理论和广义格林函数方法,引入边界声压积分项和可压缩修正项可以考虑非紧致边界以及流体可压缩性对声波散射的影响。然而在半空间声场的计算过程中,包含沿无限大地面的积分项,为了克服沿地面积分所带来的巨大工作量,根据无穷大平板对声波的反射特性,推导得出频域下基于半空间格林函数的声学积分方程。同时开展了半空间中应力源噪声与圆柱绕流噪声的数值预测与分析,验证了该方法的准确性与高效性。     

超声速理想膨胀喷流噪声的大涡模拟

为探究亚格子模型和热效应对超声速喷流流场与声场的影响规律，采用LES/FW-H混合算法对超声速理想膨胀喷流开展了数值模拟参数研究。首先，通过对比数值模拟与实验数据详细验证了LES/FW-H混合算法的可靠性，并结合Tam相似谱理论确定了实验与数值模拟中声场出现偏差的原因在于实验中存在宽频激波噪声。之后，讨论了亚格子模型对流场平均量、湍流统计量和噪声特征的影响，数据对比表明动态Smagorinsky模型的模拟结果与隐式亚格子模型的结果一致，且均与已有实验和数值模拟结果相符；而采用常系数Smagorinsky模型将导致流场和声场结果出现明显偏差。最后，通过改变喷流出口总温研究了热效应对超声速理想膨胀喷流流场与声场的影响，研究发现喷流总温升高增大了无量纲的高频流向速度脉动，同时对远场高频噪声具有显著的增强效应。     

非紧致气动噪声半空间传播基本解的边界积分方法

为了获得低马赫数流动诱发的非紧致气动噪声在半空间内传播的基本解,结合复等效源方法和边界元方法建立了半空间精确格林函数的边界积分方程,当半空间边界为刚度型阻抗边界时可避免奇异性积分。同时基于等效源方法提出一种半空间二维非紧致圆柱声散射模型,推导了静止介质中声散射基本解的理论表达式。对静止介质中的二维圆柱声散射,数值解在研究的频率与观察点处与理论解一致。采用数值方法计算二维圆柱绕流诱发的半空间声场基本解,结果显示半空间边界强化了声源的声辐射能力,小于马赫数0.2的介质运动对声传播的影响可以忽略。     

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°。     

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。      

一种预测平板尾迹噪声的时域无网格方法

基于离散涡方法和涡声理论建立了一种预测二维平板尾迹发声的时域无网格方法。该方法应用解耦方式完成声场计算,首先使用离散涡方法计算了均匀来流作用下的平板尾迹流场,得到了流场中点涡的涡量、位置和速度等关键参数,然后基于涡声理论建立了自由空间中点涡发声模型,并引入了时域边界元方法来模拟平板表面对声场的散射作用,计算得到了平板尾迹涡发声的偶极子声场分布和指向性等关键特征。通过对上下表面涡以及平板散射对声场贡献的深入分析表明,从平板尾缘上下角点脱落并卷起的涡团均为偶极子源,平板的散射作用使得声场在一定程度上得到加强,并且使声场具有极大值方向垂直于平板表面的偶极子指向性特征。所建立的无网格方法计算快速,能同时获得流场和声场分布的关键特征,可提升对气动噪声产生机理的基本认识,同时还为尾迹噪声的理论研究提供了一种具有工程应用价值的可靠计算方法。     

模化设计对离心压气机气动噪声的影响

采用数值计算方法研究了模化设计对压气机气动噪声的影响，三维流场计算结果表明模化设计压气机与原始机型满足相似准则，整级性能参数误差在2%以内；流场结构的分析进一步证实了模化机型与原始机型流场相似。基于非定常雷诺平均方法和声学边界元方法的混合气动声学方法对模化前后的压气机气动噪声进行了数值预测，结果表明:压气机气动噪声主要由离散单音噪声和宽频噪声组成，且离散单音噪声占主导。模化机型总声压级随着模化比减小逐渐减小，相比于原始机型，模化机型离散单音噪声峰值仅略有降低，而宽频噪声大幅提高。压气机气动噪声在进气管口有明显指向性，模化机型声压幅值和指向性较原始机型降低，且变化趋势与模化比成正比。      

被动孔隙控制的数值模拟研究

被动孔隙控制是一种在飞行器表面压力分布差别较大的若干区域开孔,将其下的通风腔连通进行表面压力自由调节,从而实现气动噪声、激波诱导附面层分离甚至气动力与力矩控制的技术。孔隙控制的数值模拟可对每个开孔都生成网格,但计算量非常大。为节约计算开销,可根据孔洞流动细节,建立孔隙边界模型,推导孔隙边界条件。本文在自主研发的RANS方程数值模拟框架下,结合该边界条件完成了孔隙外流场的数值模拟。模拟结果与文献实验数据相当吻合,证明孔隙边界条件完全可用于被动孔隙控制的数值模拟研究,同时也显示被动孔隙控制是一种大有潜力的气动控制手段。     

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。     

罗茨鼓风机内部气流脉动的非定常数值分析

运用计算流体动力学方法对渐开线三叶罗茨鼓风机排气过程中的脉动进行了可压缩非定常流动的数值模拟, 在动静耦合区域采用了非一致网格界面, 用动网格方法实现了排气区域流场的容积变化, 通过将数值模拟结果与半经验理论公式计算结果的对比分析, 探讨了运转周期内气流脉动的分布特性和对排气流量的影响.      

基于基尔霍夫面的四维声学频域公式

流动诱发噪声问题是实际工程领域极为普遍的问题之一,经典的声比拟模型仅以声学压力为参考来评估声场特征分布还远远不够。从声压和声学速度矢量为变量的四维线性波动方程出发,选择包围非线性声源的基尔霍夫面为积分面,并结合对流格林函数,给出均匀运动介质的四维声学频域积分公式;针对静止、旋转单极子源和偶极子源开展数值预测研究。结果表明：本文获得的声压和声学速度分布与解析解吻合,均匀来流情形下静止点源的声场分布表现出典型的对流效应;受均匀来流、点源的自激频率、谐波阶次和旋转频率的共同影响,旋转点源的声场分布则表现出明显的多普勒效应和对流效应。本文对均匀流矢量气动噪声开展的精细化研究能够为声能量的评估和传输路径预测提供技术支撑,进一步为降噪研究提供理论依据。     

离心叶轮气动阻尼的数值分析

为进行运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动分析程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支撑径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和离心叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以某离心叶轮为对象,展开其模态气动阻尼比的计算分析。结果表明:考察的两个模态下气动阻尼比均为正值,小幅振动下模态气动阻尼比与振幅无关,轮盘振动模态下叶轮的气动阻尼比随工况接近失速而逐渐减小。