圆柱及切割圆柱低Mach数绕流气动声辐射

以柱体绕流声辐射为研究对象,探讨低Mach数流动气动声定量预测方法。首先,理论分析Lighthill声类比理论与基于流体动力学压力对时间求导的扰动分离模型之间内在联系。其次,利用计算流体动力学对圆柱及其尾部切割后的亚临界流态绕流进行二维数值求解,分析两种湍流模型的流场计算效果。最后,分别使用声类比理论FW-H方程及扰动分离模型进行柱体绕流气动声辐射定量预测,分析声指向性及频谱特性。数值结果表明声类比理论与扰动分离模型预测的声辐射频谱相似,但前者的幅值略高;圆柱尾部切割使尾流脉动增强,导致声辐射变大。     

考虑对流效应的圆柱绕流气动噪声的预测

采用非稳态雷诺时均(URANS)方程求解圆柱绕流获得近场声源信息,同时运用考虑对流效应的频域声比拟方法,研究了圆柱绕流的气动噪声问题,并考察了不同来流马赫数对辐射声压的影响。结果表明:卡门涡的脱落导致圆柱阻力系数频率为升力系数频率的两倍;较大的升力系数脉动幅值产生了偶极子源,偶极子源在远场辐射声压中占主导作用,最大辐射声压垂直于来流方向;随着马赫数的增大,对流效应显著增强且辐射声压正比于马赫数的三次方。     

圆柱绕流辐射声场的数值研究

本文从ψ-ω形式的不可压N-S方程出发,采用ADI-BGE格式及新的物面边界条件处理方法,并提出一种数值扰动模型,成功地计算了R_e=100时圆柱绕流卡门涡街流动,得到的流场结果比原有数值解准确,与实验结果符合良好,因而可用来进行声场数值研究。在声场计算方面,直接积分Curle方程,对R_e=100时的声源分布及其声辐射特性进行数值分析,并与涡声理论结果和流场中脉动力和脱体旋涡频谱进行比较,证明本文方法是成功的。     

转速对弯掠轴流风机气动噪声的影响分析

针对弯掠轴流风机气动噪声问题,采用大涡模拟(LES)和基于Lighthill声类比的FW-H模型相结合的方法进行非定常计算,通过快速Fourier转换(FFT),得到风机远场气动噪声声压级分布。对比研究了三种转速下旋转区内声压级分布规律、时域及频域特性,结果表明:旋转区域内声压级随转速增加而增大,前缘分离涡在某一转速时影响区域和强度最大;在一个旋转周期内,声压脉动呈现出6个波峰与波谷,验证了叶片转动频率是风机内部气动噪声的主要激励频率.     

边界层转捩区声辐射的预报方法研究

对Lighthill剪切应力脉动模型和Liepmann位移厚度脉动模型进行了讨论,在此基础上,本文提出利用Krane偶极子声源模型对Liepmann单极子声源模型进行改进。数值计算结果表明:作为偶极子声源的Lighthill理论剪切应力脉动模型,预报的噪声级偏低;而作为单极子声源的Liepmann模型,预报的噪声级又偏高;本文提出的两种改进模型预报的噪声级则与Lauchle实验值的一致性较好。     

数值模拟不等距叶片对贯流风机的影响

贯流风机的通过频率(BPF)是其重要的噪声频率.降低BPF噪声可以降低基频处的声压级,其中一种方法是采用不等距叶片.本文采用3种叶片距分布形式,采用realizable k-ε两方程和大涡模拟(LES)湍流模型模拟了风机的内流场,计算线性欧拉方程(LEE)中声源项得到声源位置及强度,采用基于Lighthill声类比的FW-H积分方程获得了叶轮和蜗舌处偶极子型的离散噪声频谱.比较了不同叶片距对风机性能,噪声特别是BPF噪声的影响.计算结果表明在对性能影响较小的情况下,不等距叶轮可降低BPF噪声和总A声级噪声.     

薄翼非定常气动力的涡方法计算

采用基于势流理论的涡方法,计算小扰动流场下薄翼的非定常气动特性。在中弧线和尾迹上布置涡量,建立两个控制方程和两个边界条件,数值求解薄翼的涡量分布并计算非定常气动力。将该方法用于二维平板绕流问题,计算了阶跃攻角和阵风两种工况,获得平板的涡量分布和非定常升力系数,结果与解析解Wagner函数和K(u|¨)ssner函数对比,证明了涡方法的准确性;最后采用ARMA降阶模型对涡方法的结果进行系统辨识,证明了ARMA降阶模型的有效性。以上研究将用于预测风力机非定常气动性能和气动弹性的分析。     

机翼颤振的有源声控制

借助于己推导出的声激励下绕三维薄翼的非定常位势流的精确解，本文进一步分析了限于弱扰动的声激励消除颤振的机理，讨论了声源参数对颤振边界的影响，并通过声一涡耦合的理论计算，解释了原有的风洞实验。结果表明，对于不同位置的声源，声致气动载荷的无环量和有环量部分起着不同的作用，而且，在声控制颤振的过程中，系统的各种参数存在一定的关系，必须合理地选取最佳参数。本文的研究为声控制技术在气动领域中的实际应用提供了理论基础。     

纳米尺度圆柱绕流现象的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学模拟方法,利用Lennard-Jones(L-J)势能模型,模拟了Re为28时Ar流体流过Pt纳米圆柱的绕流现象.采用小步长时均值作为涡的瞬时值的方法,在纳米尺度、纳秒量级下得到了涡的周期性产生、组合、发展和脱落现象;在大步长时均条件下,得到了稳定的对称涡,表现出了绕流现象在不同时间范围内的不同特征.绕流过程还体现了流体的密度变化,圆柱上游密度大于下游密度、对称的两侧离轴线越远密度越大.结果表明,分子动力学模拟方法可以有效地细节刻画圆柱绕流现象.     

空腔的非定常可压缩过流及相关气动声学问题

使用大涡模拟-声学比拟相结合的方法,研究三维开式空腔的非定常可压缩过流及其相关的气动声学问题.近场的声源流场部分使用大涡模拟,声音向远场的辐射使用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声学比拟,建立了适合于开式空腔的全三维计算气动声学预测方法.文中突出了声源采样时间和积分模数的选择问题.     

冷却用弯掠轴流风机气动噪声预测与试验分析

采用Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,对五种不同结构的弯掠轴流风机A/B/C/D/E进行稳态数值模拟,结合给定的性能要求筛选出B/E风机。以稳态流场为基础,采用大涡模拟(LES)与基于Lighthill声类比的FW-H模型相结合的方法对B/E风机进行非定常计算和气动噪声预测,并将预测结果与试验数据进行了对比验证。分析了以叶轮表面作为噪声源时B/E风机的涡流噪声频谱特性,研究了风机三维非定常内部流场中旋涡分布特性,并探讨了风机旋转区域内部声压级的分布规律。     

几种仿生翼型气动性能及噪声特性研究

依据翼型理论分别提取四种鸟类翅膀沿展向40%截面处的翼型,采用大涡模拟结合声类比的FW-H方程的方法对不同仿生翼型进行流场及声场的模拟。非定常流场的计算结果表明,在逆压梯度作用下,气流在叶片吸力面前缘开始分离;在叶片下游处产生了明显的涡结构,脱离叶片尾缘后涡结构发生破碎。在四种仿生翼型中,海鸥翼型的升阻比最大,鹗翼的升阻比最小,但鹗翼具有优良的降噪特性。声压级的方向性分布揭示了仿生翼型声源具有偶极子声源特性。     

圆柱绕流问题的初期流动数值模拟

本文继Zheng-huan Teng[1]中介绍的解Navier-stokes方程的椭圆涡团法,研究了一种新的变形涡团法,用以模拟不可压粘性流体绕圆柱的不定常流动。圆柱在静止流体中突然起动并做匀速直线运动。对整个流动区域构造完全Navier-Stokes方程的解并不容易,近十年出现很多数值研究,本文对算法有所推进。把本文的方法称作变形涡团法是因为圆柱边界附近的流体中用椭圆涡团,远离边界时用圆形涡团。计算圆柱绕流比平板绕流在满足附着条件上更为困难,本文分析了怎样在圆柱边界上给出适当的附着条件的数值方法。在算例中雷诺数分别取200、550、3000,得到了不定常边界层分离,二次涡等复杂的物理现象,这些数值结果与近年实验结果[2]是一致的。     

基于VLES模型的振动圆柱数值模拟

本文将一种VLES(Very Large Eddy Simulation)模型引入到动网格数值计算中,并验证了VLES模型用于模拟类似振动圆柱绕流的动边界问题的有效性。数值求解了不同振幅和频率下非稳态振动圆柱绕流问题。研究表明:随着振幅和激励频率的增加,绕圆柱流动涡脱离形式从2S模式转换到2P0模式,再到P+S模式。在高振幅和激励频率比fe/fs=0.95时,涡脱离形式却表现为2P0模式到P+S模式的过渡状态,振动圆柱在上升或下降过程中涡的脱离造成在每个周期升力曲线的左右侧发生不规则的"跳动"现象,尽管脱落涡可能为涡对或者单涡.     

等价分布源方法新发展

本文以广义Lighthill方程和广义Green函数为基础给出任意截面管道声传播计算模型,同时应用等价分布源方法建立了包含声衬影响的声传播模型,该方法避开了复杂的管道特征值计算,并在此基础上以积分变换发展了等价分布源方法,免去了声源及观察点匹配时产生的奇异性,使该方法大大简化,易于工程实际计算.此外,本文还给出了特殊截面管的算例.     

多翼离心风机气动噪声的数值分析

多翼离心风机叶片短、流道窄,叶轮出口流速分布不均,引起叶轮与蜗壳干涉作用加剧。本文探讨流场与声场非定常耦合机理,根据声类比理论分析其偶极子声源产生的气动噪声。利用直接边界元声学求解方法建立以蜗壳为界的内外声学模型,分析蜗壳对声传播的散射作用,内部噪声通过蜗壳的进出口传播到风机外部。结果表明:从监测点声压级频谱及A计权声压级分布观察,声压级分布在低频段呈宽频分布,在基频与其倍频处出现波峰并呈逐渐衰减趋势,说明该多翼离心风机气动噪声受叶片周期性旋转压力脉动影响较大。对比噪声测试结果,相对误差为2%以内,分析计算与试验相符。     

气固两相三维圆柱绕流的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气周两相三维圆柱绕流的涡量场和颗粒扩散,并着重讨论了圆柱绕流中卡门涡街的形成和涡结构的转捩过程。同时分析了圆柱绕流中不同Stokes数的颗粒在涡结构作用下的横向扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0．01的颗粒在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

射流冲击圆锥噪声特性实验及数值分析

为研究低马赫数条件下射流冲击圆锥形障碍物的气动声学特性,针对4个冲击距离下的射流声场进行了远场实验测量,并基于大涡模拟进行了数值模拟计算,结果显示声场测量与数值结果吻合较好。从数值模拟捕捉到的冲击射流涡结构产生、演化以及耗散的变化现象,分析了冲击距离与远场声压之间的影响因素及涡变化与声源分布关系,发现影响冲击射流的主要噪声源与冲击距离具有很强的相关性。研究表明:障碍物位于10D_e位置处时所接收到的声压级最大,影响冲击射流的主要噪声源为旋涡脱落引起的具有宽频带特性的偶极子噪声源;当冲击距离较远时,主要声源为具有低频特性的自由射流段涡环配对产生的四极子源。     

用DES数值模拟分离绕流中的旋涡运动

脱体涡模拟(Detached-Eddy Simulation,DES)是近年来出现的一种结合雷诺平均方法和大涡数值模拟两者优点的湍流模拟方法.采用基于Spalart-Allmaras方程模型的DES方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕流发生分离后的旋涡运动.其中空间区域离散采用有限体积法,方程空间项和时间项的数值离散分别采用Jameson中心格式和双时间步长推进方法.通过模拟圆柱绕流以及翼型失速绕流,观察到了与物理现象一致的旋涡结构,得到与实验数据相吻合的计算结果.     

Reynolds数22 000的孤立方柱绕流的大涡模拟

方柱绕流是典型的钝体绕流问题,蕴含了丰富的流体力学现象,对这类流动的准确预测面临着诸多挑战.采用自主发展的大涡模拟程序,对来流Mach数M=0.3,Reynolds数Re_D=22 000的绕孤立方柱流动进行了细致模拟,亚格子模型使用动力涡黏模型.对计算结果的分析表明,大涡模拟所得的平均流场及Reynolds应力分布与已有实验数据和直接数值模拟结果均吻合较好,验证了预测结果的可靠性;在此基础上对瞬态流场进行了研究,展示了计算条件下方柱绕流分离转捩及尾迹区旋涡交替脱落形成Karman涡街的全过程,为更细致的流动机理探索奠定了基础.