基于LBM-LES方法翼型纯音噪声数值研究

基于LBM-LES方法,对中低雷诺数下的NACA0012翼型纯音噪声进行了直接计算,研究了不同迎角和雷诺数对纯音噪声的影响。计算结果表明,翼型的声源主要位于翼型的分离区和后缘处,在不同迎角和雷诺数下的声辐射特征均具有偶极子声场的特点;迎角的增大将引起较大的旋涡尺度和湍流强度,吸力面声源区域前移。声压级频谱分析表明,随着迎角的增大,纯音噪声逐渐消失,噪声谱最终呈现宽频特征;随着雷诺数的增大,后缘压力脉动增大。声压级频谱中,主频频率随着雷诺数的增大而增大,且符合Paterson公式的幂律关系。此外,声压级频谱特性随着雷诺数的增大表现出由离散特性向宽频特性转变的趋势。     

SOUND ABSORBING PROPERTY OF POROUS METAL MATERIAL AT HIGH TEMPERATURE AND HIGH SOUND PRESSURE LEVEL

在多孔金属材料的湍流统计理论的基础之上, 考虑温度高声压对多孔材料声学参数的影响, 得到适用于高温高声压条件下多孔金属材料的分析模型. 计算了不同温度和不同声压级条件下声压幅值与金属纤维直径、孔隙率等物理参数的关系. 研究发现其他参数不变, 在高温条件下, 随温度升高多孔金属材料的声压幅值增大; 在高声压条件下, 随着声压的升高多孔金属材料的声压幅值增大. 所得理论结果与已有的实验中的规律符合良好,为多孔金属材料在高温、高声压条件下的减振降噪设计提供了理论基础.     

基于LBM-LES方法的翼型气动噪声直接数值计算

直接数值计算方法对航空飞行器机体气动噪声产生机理研究及噪声预测非常关键。本文基于在格子玻尔兹曼方法(LatticeBoltzmannMethod,LBM)框架下的大涡模拟方法(LargeEddy Simulation, LES)对SD-7003仿生翼型在较低马赫数条件下的气动噪声进行了直接数值计算,雷诺数选取为8.0×10~5。LBM方法采用多松弛时间近似,格子离散速度模型为D2Q9模型,LES方法的亚格子模型是动态Smagorinsky模型。噪声直接计算结果表明:LBM-LES方法能较精确地预测低马赫数及中低雷诺数条件下翼型气动噪声远场的声压,与实验结果相比,误差在10%以内;同时可以直接得到噪声声场及传播过程,并能揭示噪声的生成机理。     

可渗透壁对翼型声涡相互作用下流场及声场的影响

由仿生学原理构建的可渗透翼型对湍流气动噪声抑制作用已展现良好的应用前景。对NACA 0012可渗透翼型和实体翼型进行了数值计算,得到了声涡相互作用下气动噪声声场和流场,分析了可渗透壁对翼型流场和声场的影响。研究表明,相对实体翼型,可渗透壁通过减小声源强度降低了主纯音噪声声压级幅值和远场总声压级,消除了高阶离散纯音,但对噪声的指向性没有较大改变。进一步的流场分析表明,可渗透壁对翼型气动性能影响不大的情况下能够降低边界层扰动和翼型后缘大尺度涡旋强度,并推迟分离泡转捩和再附位置。     

多孔介质对翼型绕流边界层影响的数值研究

以多孔尾缘结构SD-7003翼型为研究对象,基于格子Boltzmann方法(LBM)研究了不同多孔介质材料对翼型边界层发展及尾缘流动的影响规律。研究结果表明:LBM方法可以精确地计算出可渗透壁的多孔翼型边界层特征,且数值模拟结果与文献参考值非常吻合;相对于实体翼型,多孔尾缘上、下面压差推动渗流穿过多孔区衰减翼型表面的气动载荷波动,其衰减程度依赖于多孔材料的流阻;多孔翼型压力面与吸力面的边界层厚度较实体翼型有明显的增加,且边界层厚度随流阻的减少而增加。     

一种可用于机翼优化设计中的气动噪声预测模型

发展了一种可用于翼型/机翼外形设计中的气动噪声快速预测方法。相较于传统的半经验噪声预测方法,该方法以两方程非线性k-ε湍流模型模化雷诺应力的雷诺平均方程为背景,考虑了升力系数、三维流动效应以及机翼几何参数等因素对后缘噪声的影响。而相对于直接数值模拟或声类比拟方法,该方法虽不能准确预测噪声强度,但其计算量小,能给出不同翼型/机翼的相对总声压级,以及总声压级随升力系数的变化情况,易于应用于翼型/机翼气动外形优化设计中。通过计算分析二维NACA0012翼型几何参数或来流状态的改变所带来的气动噪声差异,与ANOPP软件及Brooks等计算结果进行对比,验证了该模型的可靠性。最后,计算分析二维、三维翼型/机翼气动噪声,凸显该方法在翼型/机翼气动外形优化设计中的应用价值。     

低Reynolds数NACA0012翼型绕流的流动特性分析

在水槽中应用PIV测速技术研究了NACA0012翼型在Reynolds数为8200时的流动特性,重点关注了翼型绕流结构中主频和扰动增长速率随迎角的变化。结果表明,分离剪切层的扰动增长符合指数规律;且随着迎角的增大,转捩过程加速,表现为扰动增长率逐渐增大,转捩的起始位置逐渐向上游移动。在所有实验迎角情况下,流场均由脱落旋涡主导,但其主导作用随着迎角的增大而削弱。     

小口径膛口射流噪声的数值模拟

为了研究小口径武器的膛口气动噪声特性,采用CFD-CAA耦合算法对7.62 mm枪的射流噪声场进行了数值模拟。由于膛口流场结构复杂,在目前的计算发展水平下还不足以采用CAA直接法,因而本文中采用混合方法,即首先采用CFD方法计算7.62 mm枪的膛口流场,然后利用所得结果,采用声学方程计算射流噪声,具体为膛口近场采用LES进行计算,远场声场采用FW-H声拟法计算。通过对比验证实验,验证了该计算方法的可行性。然后,对7.62 mm枪射流噪声进行了数值模拟,分析了噪声指向性,绘制了声压级云图。研究表明:在本文的计算条件下,射流噪声强度主要集中在近膛口区域;且射流最大噪声主要分布在与轴线方向成30°~60°范围内。     

轻型火箭发射噪声场的分布特性

为了解小火箭发射噪声特性及其在喷口外围的声压场分布规律,针对燃气射流产生噪声问题进行了实验研究和数值计算。讨论了超声速射流噪声的3个主要成分(湍流混合噪声、啸音和宽带激波相关噪声)及相关特点,指出它们产生的根本原因是湍流射流的速度扰动。通过分析不同实验测点的射流噪声声压级峰值,得到了燃气射流噪声在轴向和径向上的分布规律,即随着离喷口距离的增大,轴向噪声的衰减程度大于径向。在实验基础上,利用大涡模拟与FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学比拟相结合的方法对燃气射流噪声的声学特性进行计算。结果表明,此方法获得的计算结果与实验结果吻合较好,可为进一步研究射流噪声控制提供参考。     

多孔介质壁面剪切湍流速度时空关联的研究

作为一个基础统计量,时空关联函数在湍流问题的研究中有着广泛的应用,是研究湍流噪声、湍流中物质扩散和大涡模拟亚格子模型等问题的重要参考.本文通过建立三维多孔结构壁面剪切湍流模型,采用含Darcy-Brinkman-Forchheimer作用力项的格子Boltzmann方程对无穷大多孔介质平行板之间壁湍流进行了数值模拟,进而研究其速度脉动时空关联函数的统计特性.一方面,根据计算得到的流场数据,对比分析了常规槽道湍流与多孔介质壁面槽道湍流的时间关联函数.另一方面,计算并讨论了不同孔隙率和渗透率的多孔介质壁面对速度脉动时空关联性的影响.通过研究表明:多孔结构壁面剪切湍流的时空关联函数等值线与椭圆理论相符;在研究参数范围内,多孔介质壁面的速度时空关联系数随着孔隙率增大而增大,随着渗透率增大而减小.同时发现在槽道壁面的近壁区、过渡区、对数律区和中心区等不同位置处,速度时空关联呈现较大差异性:越远离壁面位置(对数律区和中心区),其时空关联函数所呈现的关联等值线椭圆越细长,高值相关等值线越集中.多孔介质主要改变速度时空关联椭圆图像的椭圆率,说明多孔介质壁面主要影响湍流横扫速度.     

带涡襟翼翼型流场的数值模拟

以数值计算为手段,分析了带涡襟翼的翼型的流场特性,分别对迎角及扰流板偏角对翼型气动性能的影响做了分析。结果表明,在小迎角来流情况下,保持迎角不变,涡襟翼偏转角度越大,升力越小,阻力越大,呈现较好的线性关系。在大迎角情况下,绕翼型的流动发生分离,通过适当控制涡襟翼的偏转角度,能够有效的改善翼型的失速特性,从而达到流动控制的目的,迎角越大,涡襟翼所需偏转的角度越大。     

弹性振动对翼型气动特性影响的数值模拟

通过求解雷诺平均非定常Navier-Stokes方程,采用数值模拟方法计算了俯仰和沉浮振动对NACA0012翼型平均气动特性的影响.结果表明:对于俯仰运动而言,在迎角13α≤时的升力°和力矩曲线的线性段部分,振幅角的变化对动态平均升力系数和动态平均力矩系数的影响不明显,与静态时的情况基本一致;当迎角14α≥时,翼型振动的平均升力系数和动态平均力矩系数小°于静态时的情况.同一迎角条件下的俯仰振动频率越高时,其动态的平均升力系数和动态平均力矩系数越大,频率较高时的失速迎角相对于频率较低时的情况有所推迟,但相对于静态的失速迎角而言,不同频率下的动态失速迎角均提前.对于沉浮运动而言,动态平均升力系数随振幅和频率的增加而减小,动态失速迎角随振幅和频率的增大而提前.     

一种层流翼型附面层流动的数值模拟和实验研究

论文通过数值模拟方法对NACA6412层流翼型的低速绕流特性进行了研究,采用修正的BaldwinLomax湍流模型对来流速度为25m/s、8°迎角时翼型的流场、背风区的速度型分布、不同弦向位置附面层厚度的变化规律以及转捩位置进行了模拟,数值模拟结果与风洞实验结果具有一定的相关性.     

双级孔含油轴承油压扩散与表面渗析特性分析

为探究含油轴承基体渗流及压力扩散对接触面间油膜润滑性能的影响，建立双级孔含油轴承系统的渗流润滑模型，研究轴承摩擦面上油膜分布规律与双级孔隙中压力扩散行为，分析摩擦副倾角与轴承表层渗透率变化对油膜润滑性能的影响.结果表明，流体动压力产生于摩擦界面的收敛区，并逐渐由摩擦界面向轴承基体扩散，在油压扩散过程中流体压力的作用面积增大，压力数值降低.油膜的润滑性能随倾角增大或表层渗透率减小而得到改善，相比单层含油轴承，具有致密表层的双级孔含油轴承具有较好的润滑性能.不同表层渗透率下，倾角对油膜摩擦系数的影响差异显著：在本文中计算参数下，当表层渗透率小于7×10^-15 m²时，油膜的摩擦系数随倾角增大而减小；当表层渗透率高于7×10^-15 m²时，油膜的摩擦系数随倾角增大而增大.倾角和表层渗透率影响含油轴承基体中的油液渗流和压力扩散行为，最终使油膜的润滑性能发生改变.研究工作为明晰含油轴承润滑机理提供一定理论依据.     

多孔翼型流场的数值模拟研究

空化和空蚀是影响水力机械能否安全、经济运行的主要因素之一.为了研究新的翼型结构——多孔翼型对于水力机械的空化及空蚀现象的影响,利用PROE建立具有不同微孔数的翼型模型,再借助Fluent软件对多孔翼型的三维绕流流场进行了定常数值模拟计算.基于伯努利定律,对具有不同孔数的翼型绕流流场进行流态分析.根据模拟结果显示的不同翼型结构的速度场和压力场的分布特征,从能量转换的角度出发,揭示了多孔翼型绕流流场的内在特性,即绕流翼型的流场(速度场、压力场)是随着孔数而变化的.结合空化发生的条件,说明采用多孔翼型结构对改善水力机械内部空化现象是有一定的作用的,通过数值模拟方法来分析研究水力机械内部的空化空蚀现象,可以作为实验与理论分析的参考.从一个新的角度,为改善水力机械的空化和空蚀现象提供了新思路.     

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状, 数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8$\sim$16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题. 本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW--H声学比拟法的混合算法, 先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分, 引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响. 结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.      

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状,数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8～16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题.本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW–H声学比拟法的混合算法,先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分,引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响.结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.     

基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究

针对直升机旋翼反流区因反流动态失速导致的非定常载荷、阻力激增以及负升力等问题,开展了基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究.采用动态压力测量结合翼型表面压力积分的方法,重点分析了后缘小翼不同的振荡相位差、幅值和减缩频率对反流动态失速控制的影响规律,对比了后缘小翼动态偏转和固定偏转的差异,试验雷诺数Re=3.5×10⁵.结果表明,当后缘小翼与翼型以相同的频率正弦振荡运动,且二者的相位差为0°时,能改善反流动态失速过程中钝几何前缘的流动分离,并在反流状态下实现了翼型负升力系数下降21.2%,阻力系数下降37.5%,俯仰力矩系数迟滞环面积下降44.6%的控制效果;动态偏转的后缘小翼对翼型反流动态失速的控制效果随后缘小翼振荡幅值的增加而增加,但进一步增加振荡幅值对于控制效果的提升有限;当减缩频率增加时,动态偏转的后缘小翼对反流状态下翼型阻力的控制效果会更加明显;后缘小翼的动态偏转与固定偏转都能有效改善翼型在反流中的动态气动性能,但是动态偏转对于不同翼型迎角的适应能力优于固定偏转,并取得了更好的非定常载荷控制以及更好的阻力和负升力改善效果.     

洗扫车用离心风机气动噪声的优化

离心风机是洗扫车的关键部件,降低风机的气动噪声可极大提升产品性能。基于有限元分析软件和FW-H声比拟模型,对离心风机的气动噪声强度进行了计算。重点研究了蜗壳宽度和蜗舌半径两个结构参数对风机气动噪声的综合影响,结果表明:合理地减小蜗壳宽度和增大蜗舌半径能够在保持风机气动性能基本不变的情况下有效降低风机的气动噪声。基于数值分析软件,通过多项式拟合方法分别建立了蜗壳宽度和蜗舌半径与风机效率、全压以及总声压级之间的函数关系;并在不降低风机效率与全压的前提下,结合多目标优化遗传算法得到了最优的蜗壳宽度和蜗舌半径,优化之后风机的总声压级降低了2.8dB,降噪效果明显。     

高亚声速湍流喷流气动噪声数值分析

为适应航空噪声管制规定要求,发动机喷流噪声控制成为目前气动声学研究中的重要课题,预测分析喷流噪声辐射并揭示其产生机理将为噪声控制奠定基础.采用高精度并行LES（large eddy simulation）方法计算分析马赫数0.9高亚声速喷流的湍流演化和气动噪声现象.首先,仔细验证喷流LES湍流场计算保真性,并分析流场中不同尺度涡结构的演化形态.其次,利用可穿透面FW-H（Ffowcs Williams and Hawkings）方法外推喷流近场声源数据获得精确声辐射远场,进而分析声场主导声模态特性.最后,通过分析声源机制、分离声模态等方法研究势流核末端大尺度拟序涡运动演化形成的低波数波包在噪声主导声模态产生中的重要作用.数值结果表明LES结合可穿透面FW-H方法可精确预测高亚声速喷流的流场及声场特征,且数值分析揭示涡环对并形成的大尺度拟序结构在喷流中心线上沿径向融合,产生了在远场低方位角占优的主导声模态,并构成强指向性声场,噪声峰值方位角约为30°.