非緊致結(jié)構(gòu)氣動(dòng)噪聲數(shù)值積分預(yù)測(cè)方法研究.pdf

1、非緊致結(jié)構(gòu)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題廣泛地存在于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域。大型民航飛行器在起飛、降落或飛行階段所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題尤其嚴(yán)重，因而氣動(dòng)噪聲的數(shù)值預(yù)測(cè)受到普遍的關(guān)注?；旌嫌?jì)算氣動(dòng)聲學(xué)(HCAA)方法簡(jiǎn)單易行，具有計(jì)算復(fù)雜度低、計(jì)算效率高和成本費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于工程實(shí)際應(yīng)用。該方法的基本思路是將流場(chǎng)和聲場(chǎng)分開求解，結(jié)合 CFD手段獲得近場(chǎng)流動(dòng)數(shù)值解，然后通過(guò)聲傳播方程計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲。其中，Lighthill聲比擬理論思想簡(jiǎn)

2、潔且適用性強(qiáng)，可以快速求解噪聲傳播。
　　為了研究非緊致結(jié)構(gòu)引起的散射效應(yīng)，本文基于Lighthill聲比擬假設(shè)發(fā)展了非緊致結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)模型，主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括如下幾個(gè)方面：
　　(1)基于渦聲理論和壓力分解方法建立了低馬赫流動(dòng)氣動(dòng)噪聲的聲壓積分方程，噪聲計(jì)算包括物面散射聲壓計(jì)算和遠(yuǎn)場(chǎng)任意觀察點(diǎn)聲壓計(jì)算兩部分。對(duì)低馬赫數(shù)圓柱繞流氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，聲場(chǎng)分布特征與Curle方程一致?？疾焱牧髅}動(dòng)與噪聲傳播之間

3、的關(guān)系，結(jié)果顯示噪聲隨頻率的變化與湍流脈動(dòng)的變化趨勢(shì)一致。數(shù)值研究表明該方法能夠精確求解低馬赫數(shù)流動(dòng)氣動(dòng)噪聲，并且直觀的反映了旋渦與聲波之間的關(guān)系。
　　(2)提出了一種非緊致邊界氣動(dòng)噪聲輻射散射統(tǒng)一積分計(jì)算方法。該方法將流場(chǎng)脈動(dòng)量分解為流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算捕獲的主要由流體運(yùn)動(dòng)引起的流動(dòng)脈動(dòng)分量和流場(chǎng)計(jì)算未捕獲的主要由噪聲傳播引起的聲學(xué)脈動(dòng)分量?jī)刹糠?，基于Lighthill的聲比擬理論和格林函數(shù)波動(dòng)方法獲得聲學(xué)計(jì)算的統(tǒng)一積分方程。采用二階

4、精度格式進(jìn)行可壓縮流動(dòng)計(jì)算，通過(guò)統(tǒng)一積分方程得到非緊致邊界的散射聲壓，然后求解遠(yuǎn)場(chǎng)任意觀察點(diǎn)的聲壓。對(duì)二維、三維圓柱開展氣動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果吻合。數(shù)值研究表明本文方法能夠減少流場(chǎng)高精度計(jì)算所需的工作量，而且能夠捕獲非緊致邊界的散射效應(yīng)，同時(shí)能夠模擬可壓縮流動(dòng)氣動(dòng)噪聲的聲場(chǎng)特征。
　　(3)針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、包含多個(gè)物體的物理模型及振蕩結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，提出了非緊致可滲透邊界氣動(dòng)噪聲數(shù)值積分計(jì)算方法。選取包圍所有物體的

5、光滑邊界為可滲透邊界，氣動(dòng)噪聲計(jì)算包含可滲透邊界散射聲壓計(jì)算和遠(yuǎn)場(chǎng)任意觀察點(diǎn)聲壓計(jì)算兩部分。對(duì)圓柱、Rod-Airfoil模型、30P30N翼型開展氣動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算，可滲透邊界積分計(jì)算方法獲得的結(jié)果與物面積分計(jì)算方法及文獻(xiàn)結(jié)果吻合。數(shù)值研究表明可滲透邊界氣動(dòng)噪聲積分計(jì)算方法可以精確模擬非緊致邊界的散射效應(yīng)，能夠降低計(jì)算復(fù)雜度，并有助于改善氣動(dòng)噪聲的數(shù)值計(jì)算效率。
　　(4)為避免飛行器起飛、降落或者低空飛行階段地面邊界散射聲源計(jì)算

6、所需的工作量，結(jié)合鏡像源方法提出了半空間內(nèi)非緊致邊界氣動(dòng)噪聲數(shù)值積分計(jì)算方法。通過(guò)二階精度的DES模型進(jìn)行流動(dòng)數(shù)值模擬，采用非緊致邊界積分方法進(jìn)行散射聲場(chǎng)計(jì)算。首先，對(duì)半空間內(nèi)圓柱、NACA0012翼型及30P30N翼型開展氣動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明半空間內(nèi)地面邊界的散射效應(yīng)引起聲場(chǎng)復(fù)雜且劇烈的變化。其次，開展亞音速方腔流動(dòng)噪聲數(shù)值預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果與高精度計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法吻合，聲壓級(jí)隨頻率呈現(xiàn)逐漸遞減的變化趨勢(shì)。數(shù)值研究表明本文方法能夠模

7、擬非緊致邊界和半空間邊界的散射效應(yīng)，無(wú)需求解地面邊界散射聲源，顯著提高了半空間氣動(dòng)噪聲的數(shù)值計(jì)算效率。
　　(5)結(jié)合自由空間聲傳播方程，建立了運(yùn)動(dòng)非緊致邊界時(shí)域格林函數(shù)積分方程，借助該方程和Lighthill聲比擬理論可以考慮任意邊界情形的噪聲分布。選取圓柱為研究對(duì)象，在圓柱附近放置靜止和運(yùn)動(dòng)點(diǎn)聲源，所獲得的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲分布與解析解吻合，時(shí)域噪聲的特征變化符合聲波傳播規(guī)律。對(duì)低馬赫數(shù)流動(dòng)圓柱繞流噪聲進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，時(shí)域計(jì)算方法獲得的結(jié)