基于LES和FW-H耦合的水面船舶声场研究

为了优化舰艇的噪声性能,提升舰艇隐蔽性,针对水面船舶声场进行研究。研究针对某型船,采用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均N-S方程并使用大涡模拟(LES)方法进行方程组封闭,对船体流场进行了仿真计算,并与试验结果进行比较,然后加载FW-H声学模型对各航速下船体的流噪声声场进行模拟。流场计算结果显示:各航速下船体阻力的计算值与试验数据吻合度较高;声场计算得到了各监测点在不同频率下的噪声级,分析了不同剖面位置处、不同频率下的声指向性等;通过分析特征点的声压级曲线得出,船体的流噪声主要集中在低频段,噪声衰减速度随频率增大而减小。仿真结果表明,所采用的计算方法能够较为准确地模拟船体的流场和声场,为水面舰艇的流噪声研究提供了一条可行的途径。     

贯流风机气动噪声数值预估

通过精细求解二维非定常Reynolds平均的Navier-Stokes方程,数值模拟了贯流风机内部的复杂流场。随后从流场的数值结果中提取出叶片、涡墙和后墙的脉动压力作为声源,进行声场计算。以声学中的Ffowcs Williams-Hawk-ings(FW-H)方程作为出发方程,数值求解贯流风机的噪声场。计算结果表明在贯流风机中,后墙的压力脉动与涡墙的压力脉动是主要的噪声源。该文的数值预估不仅在贯流风机的总体气动性能上与实验测试结果吻合,同时气动噪声场的预估结果也与实验测试结果吻合良好。     

偶极子噪声在均匀流管道中传播的声学模型

通过建立对流FW-H方程与薄壁边界元法相结合的混合声学模型,研究偶极子噪声在均匀流管道中的传播与散射问题.计算均匀流中的声源及其在管道中的传播,采用对流FW-H方程确定均匀流中的声波传输,采用计算流体力学方法所得流场数据确定气动噪声源,采用薄壁边界元法计算声波在管壁上产生的散射声压,并将数值计算结果与Tyler-Sofrin管道声学理论方法及声学实验所得结果进行对比.结果表明,对流FW-H方程与薄壁边界元法相结合的声学模型可用于偶极子噪声在均匀流管道中传播特性的预测,并可准确预测风扇偶极子噪声在机匣内的传播.     

横掠二维串列双圆柱绕流气动噪声的数值模拟

对横掠串列双圆柱绕流噪声问题进行数值模拟,首先通过二维大涡模拟(LES)求解非定常不可压缩N-S方程捕获瞬时流场声源数据;然后运用基于Lighthill’s声学类比的FW-H方程及其积分解,计算由流体流动诱发产生的噪声。通过比较不同流速、直径、间距比对绕流流场以及由其产生的气动噪声的影响发现:流速、直径增加,辐射噪声级相应增大;流速增加,旋涡脱落频率增大;不同间距比对圆柱旋涡脱落有一定影响,从而影响到辐射噪声,存在噪声最大的临界间距比;同时辐射声场具有较明显的指向性。     

苍鹰翼尾缘结构的单元仿生叶片降噪机理研究

利用逆向工程方法提取苍鹰尾缘非光滑形态的降噪特征元素,由此建立了仿生叶片结构模型;采用基于Smagorinsky亚格子应力模型的大涡模拟,结合基于Lighthill声类比的FW-H方程,分别对仿生尾缘锯齿叶片和标准叶片的流道模型进行了三维流场及声场的数值计算;通过分析仿生齿形结构对叶尾迹流场的影响,研究了仿生尾缘齿形结构的气流噪声控制机理.结果表明:仿生尾缘锯齿结构叶片的总A计权声压级比标准叶片降低了9.8dB;叶片尾缘锯齿结构可以改变流场噪声峰值的分布规律,从而降低了噪声峰值,且大部分频率范围内的气动噪声均有所降低;仿生尾缘锯齿结构可以改变各截面尾迹涡的脱落位置,从而增大了涡心之间的距离,抑制了脱落涡对尾迹流动的扰动,进而减小了叶片表面的非定常压力脉动和尾迹涡引起的气动噪声.     

喷流气动噪声仿真计算

针对内外涵分开双喷流的噪声问题进行了仿真计算研究。计算采用"CFD+CAA"的混合方法,流场计算采用大涡模拟(LES),捕捉流场中的主要噪声源;声场计算采用FW-H(Ffowcs WilliamsHawkings equation)方程积分得到远场噪声信息。为了降低喷流噪声,在内涵安装了锯齿形喷嘴。安装锯齿形喷嘴后,内外涵气流掺混增强,增加了内涵的喷流有效面积,使得中低频噪声降低,高频噪声略有增加,总体降噪量3～5 d B。喷流噪声具有明显的指向性,喷流下游噪声明显高于上游,总体指向喷流下游。     

考虑固体颗粒的自由喷流噪声的数值研究

研究固体颗粒对喷流流场和声场的影响.选取6种不同的湍流模型，对自由喷流进行稳态计算分析，对比发现RNG k-ε模型最适合用于稳态喷流数值模拟；采用LES模型计算喷流的非稳态结果，并结合FW-H方程进行了喷流声场分析，与试验数据进行对比，验证了数值模型的正确性；在此模型的基础上，添加固体颗粒研究其对自由喷流流场和声场的影响，仿真结果表明固体颗粒的存在减小了喷流流场的超音速段长度，显著提高了喷流温度；增大了喷流下游区域噪声，减小了中上游区域噪声.      

基于大涡模拟和FW-H方程的二维圆柱风噪声模拟

针对不同直径二维圆柱的风噪声,采用大涡模拟和FW-H方程声类比的方法进行计算,将基准模型的计算结果与他人计算和实验结果进行对比,分析不同直径二维圆柱的远场声场特征.研究表明:基准模型的数值模拟结果与实验值非常接近,说明了本文计算方法的适用性;远场采样点的声压级频谱峰值频率随着圆柱直径的增大而减小,同根据斯特罗哈数为0.2的理论值计算的峰值涡脱频率接近;10~38mm直径工况远场采样点的总声压级随着直径的增大基本上呈线性增加趋势;总声压级和A计权总声压级随雷诺数的增加,呈现在亚临界区内增加、而在接近临界区时减小的变化趋势.     

圆柱-翼型干涉噪声特性研究

圆柱-翼型干涉噪声主要是用来模拟类似涡扇静子,或者风机静子的脱落涡打到转子上所产生噪声的现象。圆柱的脱落涡随气流流动,对下游的翼型冲击,产生非定常表面载荷,带来强烈的噪声。在全消声室风洞,对三种不同尺寸圆柱的圆柱-翼型干涉噪声的特性进行了试验与仿真研究。圆柱的尺寸直径分别为10 mm、15 mm和20 mm,翼型为NACA 0012翼型;流场计算采用大涡模拟(LES),声场计算基于FW-H积分方程。对比实验与仿真可知,圆柱脱落涡是典型的周期性卡门涡街,翼面相互作用是产生噪声的主要原因;试验得到三种不同直径的圆柱-翼型干涉纯音噪声的斯特劳哈尔数为0.19左右,与卡门涡阶脱落涡的频率一致;噪声远场为偶极子指向性;随着圆柱尺寸的增大,噪声的总声压级增大;低频噪声源主要位于翼型前缘,高频噪声主要由圆柱脱落涡引起。     

小型车用压气机气动噪声分析

以车用压气机为研究对象,基于CFD稳态的RANS方程湍流模拟计算压气机的流场特性和宽频噪声,结果表明叶轮区域是压气机的主要噪声源.基于大涡模拟(LES)和Ffowcs-WilliamsHawkings(FW-H)方程的声比拟方法,以压气机叶轮为声源对压气机离散噪声进行预测分析.结果表明该压气机主要噪声源在叶轮区域.以压气机叶轮为声源进行仿真计算所得声压与实验值大体趋势相同,仿真值比实验值略高,误差在10%以内,表明该仿真计算方法可行,对进一步研究压气机噪声控制具有参考价值.     

基于FW-H方程的飞机低速构型气动噪声计算

由流体力学Navier-Stokes方程导出的非齐次波动方程———Ffowcs Williams-Hawkings方程(以下简称FW-H方程),可以精确描述在静止流体中运动物体与流体相互作用的发声问题.以FW-H方程为理论依据,采用混合方法:近场声源区采用CFD求解,获得流场信息;远场声传播区采用自主开发的声场计算程序求解三维FW-H方程时域解,计算得到观察点频谱图和总体声压级.     

脉冲射流声场的直接计算

为了探讨亚声速射流气动声场中的主要噪声源以及声波产生机理,基于大涡模拟方法与高精度加权本质无振荡混合格式,对亚声速脉冲射流初始流场的发展过程进行了数值模拟,并根据得到的动力学流场对气动声场进行了直接计算。数值结果描述了射流剪切层在KelvinHelmholtz不稳定作用下失稳卷起小涡序列以及相邻小涡间相互旋转合并现象,并发现脉冲射流场的主要声源包括由前导压缩波形成的脉动噪声源、涡合并形成的四极子声源以及涡核内因涡卷起、变形与破碎所形成的湍流混合噪声源。其中,脉动噪声源最强,而涡合并所产生的四极子声源在整个声场中占主导地位。     

带脊状结构的NACA0018翼型气动噪声特性

为了减少翼型的气动噪声,采用声类比的方法,以NACA0018翼型为研究对象,研究脊状结构对翼型远场噪声的影响。分别模拟来流速度为12 m/s和24 m/s,在6°攻角下布置脊状结构的翼型流场,对应的基于弦长雷诺数大约为1.6×105。通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到Riblet-Q和Riblet-H翼型的声场。非定常流场计算结果表明：6°攻角下Riblet-H翼型能够改善翼型边界层分离情况,抑制涡结构脱落,从而减小翼型表面压力脉动和接收点处声压波动。逆压梯度段脊状结构可以有效减小频率在0-3000Hz内的噪声。进一步研究表明,该状态下的噪声主要由边界层引起的涡脱落噪声所主导。可见,适当位置的脊状结构可以改善翼型的噪声情况。     

低马赫数条件下气动声场流场分裂求解方法研究

在低马赫数条件下,EIF方法可以将流场控制方程和声场控制方程(Hardin方程)分开求解,对振荡圆柱声场及双涡流动结构声场进行数值求解.声场方程空间推进采用3阶迎风格式,时间离散采用双时间步法推进.通过分析不同马赫数条件下的声场声压云图、声压级谱密度分布及特征频率,说明所采用的Hardin方程能较好地描述低马赫数条件下气动声场特征,同时验证了所采用的数值格式具有较好的数值精度.     

螺旋桨空化压力脉动及噪声数值计算

为了揭示声压与流动引起的压力脉动之间的区别与联系,以及声学积分面对噪声计算的影响,以斜流中的PPTC(potsdam propeller test case)桨为研究对象,基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型及FW-H方程,对螺旋桨空化噪声进行了计算及指向性分析;之后进行了压力脉动流动分量与声压分量之间的比较,以及声学积分面的影响研究。结果表明:声压和流场压力脉动是同频率的,均以叶频为特征频率;声压幅值小于流场压力脉动幅值;二者的相位大致相反,当脉动压力达到峰值的时候,声压却处于波谷;空化增加噪声,但不绝对增加流场压力脉动;声学积分面的选取对噪声计算结果影响较大。鉴于近场压力脉动测量值部分与流动计算值符合,部分与声学计算值符合,近场测试有必要对流动量和声学量进行区分,声学积分面的选择还有待进一步确定规程。     

叶尖小翼对轴流风机气动性能及噪声特性影响的数值研究

为了控制轴流风机叶顶泄漏流造成的气动损失和噪声,在轴流风机叶片顶部添加了融合式叶尖小翼结构,并对风机的气动性能及噪声特性进行了数值研究。采用大涡模拟结合声类比方程的数值方法,研究了叶尖小翼对轴流风机流场和声场的影响。通过对风机叶尖流场和声场进行分析,对比不同外倾角的融合式叶尖小翼周围的涡场结构以及表面声压脉动,分析了不同外倾角小翼对叶尖泄漏流的控制作用以及叶尖小翼对风机气动性能和噪声特性产生的影响。结果显示:叶尖小翼结构可以有效抑制叶尖泄漏涡以及叶尖分离涡的发展,降低轴流风机的气动噪声,提高轴流风机静压效率;使用20°外倾角的叶尖小翼,风机静压效率提高了1.1%,噪声降低了5.0dB;叶尖泄漏流造成的气动噪声主要是宽频噪声,叶尖小翼可以明显降低轴流风机的宽频噪声;通过优化叶尖小翼的外倾角可以在不损害风机气动性能的同时实现较好的降噪效果。     

汽车后视镜气动噪声的影响参数

选取普通后视镜外形作为基础模型,分别挑选可能影响后视镜气动噪声的3个形状参数和2个角度参数,使用大涡模拟和FW-H方程预测后视镜的气动噪声并分析其影响因素.整车风洞普通后视镜气动噪声试验结果与数值计算结果吻合,表明采用混合方法预测后视镜气动噪声的可行性.分析各种参数的后视镜气动噪声可以发现,声源强度在支撑面比后视镜表面大;它在普通后视镜支撑面的分布呈现梯形形状,且不随后视镜前后脸的变化而变化,但支架的存在却使之成为矩形形状.除旋转角度外,增加其他4种参数均有利于降低后视镜产生的气动噪声.     

粗糙海面对空气中声源激发水下声场的影响

提出一种计算粗糙海面条件下空气中声源激发水下声场的方法,并通过数值仿真研究粗糙海面对水下声场的影响.在波数积分模型的基础上,采用微扰法将声场分为平均声场和散射声场之和.其中,平均声场采用国际流行的波数积分模型OAST计算,散射声场采用自相容扰动法计算.对不同风速、不同声源频率条件下的声场进行仿真,结果表明风速越大、声源频率越高,总声压变化范围越大,同时,水下接收到的平均声压和均方声压受到的影响越大.     

用于飞机机翼涡固干扰噪声数值模拟的RANS/NLAS方法

针对传统的气动噪声混合模拟方法对网格要求过高的问题,尝试将非线性声学方程应用于涡固干扰噪声的计算中,以串列柱-翼模型作为飞机关键噪声部件的典型模型,利用数值模拟方法来研究涡固干扰噪声机理。通过雷诺平均N-S方程(RANS)求解流场信息,再通过非线性声学方程(NLAS)求解声场,获得串列柱-翼模型典型位置处的流场特性和噪声预测结果,揭示了涡固干扰噪声机制。RANS/NLAS方法对计算网格要求低、节约计算资源、缩短计算时间且计算精度高,可较准确地模拟非线性噪声。模拟计算表明:非定常来流下,涡固干扰是造成机翼噪声的最主要原因,主要发声部位由机翼后缘移至前缘,串列柱-翼模型噪声的单音峰值出现在频率1 354 Hz处,最大声压级为91dB。对近场流动特性和远场噪声预测的结果,与文献中实验结果均取得很好的一致性。     

槽壁边界对超声清洗声场特性的影响

应用有限元理论,对槽壁呈刚性和槽壁随换能器一起做受迫振动进行了数值计算,并将槽内各节点的声压幅值进行统计,比较不同声场的强弱和均匀性.结果表明:在粘贴换能器数和槽体尺寸一定时,槽壁呈刚性时声场的强度和均匀性,均优于壁随换能器一起做受迫振动时的声场.