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。     

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。     

非紧致气动噪声传播的研究进展与分析

非均匀运动介质中非紧致气动噪声的传播是气动声学的一个研究热点与难点。本文围绕理论模型和数值方法,对非紧致气动噪声传播的研究进展进行了综述与分析。首先回顾了声传播理论模型的发展历程,对各模型的优缺点进行了总结分析;然后着重讨论了近20年来采用混合计算气动声学方法研究非紧致气动噪声传播的数值预测方法,包括有限元法、边界元法和精确格林函数法;最后对非紧致气动噪声传播数值方法的发展进行了展望。     

基于混合方法的二维圆柱绕流气动噪声数值预测

采用计算流体力学与声比拟理论相结合的混合方法,探讨了二维圆柱模型在低马赫数下的非定常绕流诱发的噪声算问题。首先采用雷诺时均Navier-Stokes方程计算了二维圆柱模型的非定常流场,与相同参数条件下的计算数据和实验数据进行对比,得到了可靠的流场数据;然后对流场数据进行处理,利用声比拟理论将流场数据转化为声源,通过求解柯尔(Curle)方程计算了远场噪声。将声场的计算结果与文献中的结果进行了对比,得到了较好的噪声计算结果。     

一种包含运动边界的高精度流场数值计算方法

为了准确快速地模拟运动边界的流场,提出一种反馈力源形式的包含运动边界的非定常流场数值计算方法。该方法采用完全正交的网格,以反馈力源作用点的运动来模拟边界的运动。采用物理量及其各阶导数在边界两侧的突跃修正中心差分格式,使之达到二阶精度,以此离散求解二维不可压Navier-Stokes方程。并且提出了与运动边界相适应的反馈力源构造方法及对边界上速度进行插值的方法。基于此数值计算方法,对低雷诺数的圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱以及昆虫振翅运动的二维非定常流场进行了数值计算,计算结果与以往的数值及实验结果非常吻合,表明本文方法与Peskin的浸入式边界方法在处理运动边界问题时具有同样的高效率,且精度高于浸入式边界方法。     

柱状金属微粒-电介质复合材料的等效介电常数

基于介质圆柱电磁散射理论和等效介质理论，导出了金属柱微粒-电介质复合材料的等效相对介电常数的表达式。数值结果表明：入射波频率低于某一频率或金属柱掺料的体积分数增大到一定数值时，复合材料的等效相对介电常数实部会变为负数。     

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。     

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。     

方腔流动气动噪声边界散射数值预测方法研究

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。     

浸入边界法模拟小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制

使用浸入边界法研究了小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制.方法中使用非贴体笛儿尔网格,易于处理包含复杂边界的流动问题.采用离散附加力直接加入边界条件方法对虚单元进行重构,使边界条件在浸入边界上精确满足.使用隐式分步法解二维非定常不可压Navier-Stokes方程,通过速度和压力解耦提高计算效率.数值模拟单圆柱绕流及不同位置小圆柱和主圆柱的流动干扰,通过分析流场涡结构和升、阻力系数,得到小圆柱对主圆柱涡脱落的延迟和抑制作用.计算结果与已有实验结论和数值结果对比,计算误差不超过5%,说明浸入边界法可以简单有效地处理圆柱涡脱落抑制这类流动干扰问题.     

Transfer element method with application to acoustic design of aeroengine nacelle

In the present survey, various methods for the acoustic design of aeroengine nacelle are first briefly introduced along with the comments on their advantages and disadvantages for practical application, and then detailed analysis and discussion focus on a kind of new method which is called ‘‘transfer element method'(TEM) with emphasis on its application in the following three problems: turbomachinery noise generations, sound transmission in ducts and radiation from the inlet and outlet of ducts, as well as the interaction between them. In the theoretical frame of the TEM, the solution of acoustic field in an infinite duct with stator sound source or liner is extended to that in a finite domain with all knows and unknowns on the interface plane, and the relevant acoustic field is solved by setting up matching equation. In addition, based on combining the TEM with the boundary element method(BEM) by establishing the pressure and its derivative continuum conditions on the inlet and outlet surface, the sound radiation from the inlet and outlet of ducts can also be investigated. Finally, the effects of various interactions between the sound source and acoustic treatment have been discussed in this survey. The numerical examples indicate that it is quite important to consider the effect of such interactions on sound attenuation during the acoustic design of aeroengine nacelle.     

Investigation of straightforward impedance eduction method on single-degree-of-freedom acoustic liners

In order to address the current aircraft noise problem, the knowledge of impedance of acoustic liners subjected to high-intensity sound and grazing flow is of crucial importance to the design of high-efficiency acoustic nacelles. To this end, the present study is twofold. Firstly, the StraightForward impedance eduction Method (SFM) is evaluated by the strategy that the impedance of a liner specimen is firstly experimentally educed on a flow duct using the SFM, and then its accuracy is checked by comparing the numerical prediction with the measured wall sound pressure of the flow duct. Secondly, the effects of grazing flow and high-intensity sound on the impedance behavior of two single-layer liners are investigated based on comparisons between educed impedance and predictions by three impedance models. The performance of the SFM is validated by showing that the educed impedance leads to excellent agreement between the simulation and the measured wall sound pressure for different grazing flow Mach numbers and Sound Pressure Levels (SPLs) and over a frequency range from 3000?Hz down to 500?Hz. The grazing flow effect generally has the tendency that the acoustic resistance exhibits a slight decrease before it increases linearly with an increase in Mach, predicted successfully by the sound-vortex interaction theoretical model and the Kooi semi-empirical impedance model. However, the Goodrich semi-empirical impedance model gives only a simple linear relation of acoustic resistance starting from Mach zero. Additionally, when the SPL increases from 110 to 140?dB in the present investigation, the acoustic resistance exhibits a significant increase at all frequencies in the absence of flow; however, the resistance decreases slightly under a grazing flow of Mach 0.117. It indicates that the SPL effect can be greatly inhibited when flow is present, and the grazing flow effect can be reduced partly as well at a relatively high SPL.     

变截面风扇管道快速声散射计算

针对航空发动机消声短舱声学设计的需要,发展了一种结合快速声散射和直接边界元计算发动机远场声散射的方法,用于计算包含了壁面声阻抗影响的复杂截面管道声散射问题.应用该方法针对某风扇实验台进行了管道消声的数值模拟,得到了远场声散射结果,进行了声衬声阻抗影响的计算,并通过与文献结果的对比表明该方法具有工程应用价值.      

悬停状态倾转旋翼噪声试验及数值计算

结合消声室试验和数值计算研究了悬停状态倾转旋翼气动噪声特性。消声室试验采用孤立倾转旋翼模型,测试了不同总距角和桨尖马赫数状态的气动噪声数据。数值计算基于CFD(computational fluid dynamic)结合FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学方程的方法,采用试验数据验证了计算模型的可靠性。分析了倾转旋翼的噪声传播特点以及拉力系数和桨尖马赫数对噪声总声压级的影响,并对比了孤立旋翼和双旋翼状态的气动噪声特性。结果表明:倾转旋翼噪声随着拉力系数和桨尖马赫数的增加均有所增加,维持旋翼拉力不变时降低桨尖马赫数虽然使得拉力系数增加,旋翼噪声水平仍然降低;倾转双旋翼噪声相对纵向平面对称分布,在多个方位角区域存在着局部最大值,这和双旋翼噪声传播时的相互叠加以及双旋翼间气动干扰相关。      

基于LES与FW-H方程的圆柱-翼型干涉噪声数值研究

采用大涡模拟（LES）结合Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程研究了圆柱-翼型干涉噪声的频谱特征和四极子噪声的影响.流场结果与实验吻合较好,声场获得了与实验相一致的频谱形状,翼型前缘30%弦长为主要干涉噪声源.针对计算与实验展向高度不同的问题,首先基于相关函数为三角函数的假定推导了展向修正公式,并与相关文献采用矩形函数、指数函数及高斯函数所得结果进行了对比.结果表明:不同的修正方法修正量差别高达7.6dB,三角函数与矩形函数修正效果类似,优于高斯函数,指数函数修正效果最差.分别采用固体壁面和可穿透数据面作为积分面,研究了体声源的影响,结果表明低马赫数下四极子噪声的影响可以忽略不计.      

复杂几何条件下伴随格林函数的数值求解

为简化气动噪声预测中复杂边界的网格处理,采用计算气动声学(CAA)方法与浸入式边界方法(IBM)相结合数值求解气动噪声预测所需的伴随格林函数.根据伴随格林函数的基本形式,文中设计了特定的圆柱声散射算例,并将数值结果与解析解对比,分析该方法的计算精度,验证了该方法在复杂几何边界条件下伴随格林函数求解中的适用性.最后应用该方法求解了考虑吊挂安装效应的锯齿型喷管喷流剪切层内的伴随格林函数.结果表明:由于喷流剪切层的散射效应,伴随格林函数在喷流内分布不均匀,最大值比最小值高出3倍以上,反映了喷流内不同区域声源对远场噪声贡献的差别,降噪设计可以重点考虑降低格林函数较大区域的声源强度以达到降低噪声的目的.      

剪切流圆管物理参量对声衰减量的影响

应用模态分析方法建立了均匀流和剪切流条件下,发动机多段声衬圆形管道声传播工程计算模型,围绕各种物理参量如平均流Ｍａｃｈ数、附面层厚度和声衬腔深、声阻、面板特征频率、管长等对管内噪声衰减量的影响进行了算例计算,并与有关文献实验测量结果进行了验证对比,从而为发动机前短舱管内声传播研究提供了一种比较完整的模态分析工程预测方法。     

噪声在均匀流等截面圆环形排气管道中声传播的数值模拟

应用模态分析方法对转/静干涉噪声在敷设声衬的风扇静子后排气管道中的声传播,声衰减进行了数值模拟。前传声波在遇到声导纳间断面时,声波反射模态增加,前传模态相应减少,因此可利用多段声衬声导纳间断面上的模态反射来抑制管内噪声的传播。计算并分析了均匀流情况下声衬声阻和声抗对管内消声量的影响。在高频声源和大Mach数气流情况下,随声阻或声抗变化,噪声衰减量都存在局部峰值和波动,此时不再呈现低频情况下的单调特征。因此,选择适当的声衬阻抗可有效地抑制发动机噪声传播。