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

1、非緊致結(jié)構(gòu)氣動噪聲問題廣泛地存在于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)及交通運輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域。大型民航飛行器在起飛、降落或飛行階段所產(chǎn)生的氣動噪聲問題尤其嚴重，因而氣動噪聲的數(shù)值預(yù)測受到普遍的關(guān)注?；旌嫌嬎銡鈩勇晫W(xué)(HCAA)方法簡單易行，具有計算復(fù)雜度低、計算效率高和成本費用低等優(yōu)點，被廣泛用于工程實際應(yīng)用。該方法的基本思路是將流場和聲場分開求解，結(jié)合 CFD手段獲得近場流動數(shù)值解，然后通過聲傳播方程計算遠場噪聲。其中，Lighthill聲比擬理論思想簡

2、潔且適用性強，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)的氣動噪聲數(shù)值預(yù)測模型，主要研究工作和創(chuàng)新點包括如下幾個方面：
　　(1)基于渦聲理論和壓力分解方法建立了低馬赫流動氣動噪聲的聲壓積分方程，噪聲計算包括物面散射聲壓計算和遠場任意觀察點聲壓計算兩部分。對低馬赫數(shù)圓柱繞流氣動噪聲進行數(shù)值預(yù)測，聲場分布特征與Curle方程一致?？疾焱牧髅}動與噪聲傳播之間

3、的關(guān)系，結(jié)果顯示噪聲隨頻率的變化與湍流脈動的變化趨勢一致。數(shù)值研究表明該方法能夠精確求解低馬赫數(shù)流動氣動噪聲，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噪聲輻射散射統(tǒng)一積分計算方法。該方法將流場脈動量分解為流場數(shù)值計算捕獲的主要由流體運動引起的流動脈動分量和流場計算未捕獲的主要由噪聲傳播引起的聲學(xué)脈動分量兩部分，基于Lighthill的聲比擬理論和格林函數(shù)波動方法獲得聲學(xué)計算的統(tǒng)一積分方程。采用二階

4、精度格式進行可壓縮流動計算，通過統(tǒng)一積分方程得到非緊致邊界的散射聲壓，然后求解遠場任意觀察點的聲壓。對二維、三維圓柱開展氣動噪聲數(shù)值計算，計算結(jié)果與文獻結(jié)果吻合。數(shù)值研究表明本文方法能夠減少流場高精度計算所需的工作量，而且能夠捕獲非緊致邊界的散射效應(yīng)，同時能夠模擬可壓縮流動氣動噪聲的聲場特征。
　　(3)針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)、包含多個物體的物理模型及振蕩結(jié)構(gòu)的氣動噪聲問題，提出了非緊致可滲透邊界氣動噪聲數(shù)值積分計算方法。選取包圍所有物體的

5、光滑邊界為可滲透邊界，氣動噪聲計算包含可滲透邊界散射聲壓計算和遠場任意觀察點聲壓計算兩部分。對圓柱、Rod-Airfoil模型、30P30N翼型開展氣動噪聲數(shù)值計算，可滲透邊界積分計算方法獲得的結(jié)果與物面積分計算方法及文獻結(jié)果吻合。數(shù)值研究表明可滲透邊界氣動噪聲積分計算方法可以精確模擬非緊致邊界的散射效應(yīng)，能夠降低計算復(fù)雜度，并有助于改善氣動噪聲的數(shù)值計算效率。
　　(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)非緊致邊界氣動噪聲數(shù)值積分計算方法。通過二階精度的DES模型進行流動數(shù)值模擬，采用非緊致邊界積分方法進行散射聲場計算。首先，對半空間內(nèi)圓柱、NACA0012翼型及30P30N翼型開展氣動噪聲數(shù)值計算，結(jié)果表明半空間內(nèi)地面邊界的散射效應(yīng)引起聲場復(fù)雜且劇烈的變化。其次，開展亞音速方腔流動噪聲數(shù)值預(yù)測，計算結(jié)果與高精度計算氣動聲學(xué)方法吻合，聲壓級隨頻率呈現(xiàn)逐漸遞減的變化趨勢。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)，無需求解地面邊界散射聲源，顯著提高了半空間氣動噪聲的數(shù)值計算效率。
　　(5)結(jié)合自由空間聲傳播方程，建立了運動非緊致邊界時域格林函數(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。選取圓柱為研究對象，在圓柱附近放置靜止和運動點聲源，所獲得的遠場噪聲分布與解析解吻合，時域噪聲的特征變化符合聲波傳播規(guī)律。對低馬赫數(shù)流動圓柱繞流噪聲進行數(shù)值預(yù)測，時域計算方法獲得的結(jié)