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。     

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。     

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.     

静叶倾角对动静干涉声学特性的影响

为了有效降低航空发动机动静干涉噪声,采用试验和理论分析不同周向倾斜静叶与动叶干涉产生的气动及声学特性.对静叶倾角为-25° ~ 25°的声学测量结果表明,影响总声压级的主要因素为单音噪声,其中一阶单音占主导;在静叶倾角为-10° ~ 10°时一阶单音噪声占总声压级比例超过40%.通过对静叶倾角±25°及0°的数值计算分析可知,改变静叶倾角可以调整动叶尾迹相位分布,从而影响动叶尾迹与静叶的干涉效果,达到控制噪声的目的.后倾静叶要优于前倾,与试验结果一致.     

非均匀栅距对压气机转子-静子气动干涉噪声的影响

根据Lighthill气动声学理论，推导出非均匀栅距结构下压气机转子-静子气动干涉噪声频谱公式。研究的叶栅结构为带进口导叶的单级三排叶栅，其中动叶栅距不变，而导叶和静叶栅距均采用非均匀栅距。计算了各种叶栅结构下转子-静子气动干涉噪声的大小。对不同叶栅结构的计算分析表明：在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式下，在保证压气机级气动性能变化不大的同时，转子-静子干涉噪声能够得到降低。     

多段翼型流动非定常性计算研究

用基于SA湍流模型的DES计算方法对30P-30N多段翼型绕流的非定常性进行数值模拟。通过将非定常计算的气动特性平均值和定常实验结果比较验证了计算方法的可靠性,并对基于SA湍流模型的DES方法非定常数值模拟的结果进行分析。结果表明,所述方法正确地模拟了多段翼型流动的非定常性。缝翼下表面具有一定的涡量变化,而襟翼上表面后缘有明显的周期性的涡脱落。初步揭示了多段翼型噪声辐射的根本原因。研究结果对减小多段翼型噪声的方法研究具有一定的意义。     

风沙条件下颗粒对翼型流动分离的影响

运用延迟脱体涡模拟(delayed detached eddy simulation,DDES)技术对NREL S809三维翼型在洁净空气环境中和在不同直径颗粒环境下进行了数值模拟,由此预测了风沙环境下颗粒对翼型绕流分离的影响.研究结果表明:当攻角为8°时,DDES捕捉到了翼型吸力面的涡脱落现象,并且颗粒的加入显著地改变了翼型吸力面的涡脱规律,使得尾涡范围扩大、耗散更快,然而随着颗粒直径的增大,尾涡也逐渐恢复到接近洁净空气时的状态;当攻角较小(6°)时,翼型表面没有发生流动分离,颗粒的加入对流场的影响很小;当攻角较大(12°)时,颗粒对翼型绕流的影响也很小;不同攻角下颗粒对翼型升力系数有不同程度的影响.分析不同攻角下颗粒对翼型表面流动分离的影响规律表明:S809翼型绕流情况受颗粒影响最严重的攻角在7°~10°.     

下游塔架对水平轴风力机叶片气动负荷的作用

为了研究水平轴风力机叶轮与下游塔架之间的动静干涉作用,并将二者的相互作用简化为二维翼型与后置圆柱之间的气动干涉,通过数值模拟的方法分析了在翼型尾缘下游不同位置处放置的圆柱对叶片载荷的影响.研究结果表明,下游塔架对叶片载荷的影响主要与塔架直径和二者的相对位置有关.当叶片掠过圆柱塔架时,翼型上下表面的流速分布产生了明显的改变,进而造成气动载荷发生显著的变化,其变化幅度可以达到定常计算情况下的50%.该工作对风力机叶片的周期气动力疲劳寿命的评估提供了参考.     

翼型流激噪声计算及实验研究

针对翼型绕流产生的湍流边界层脉动压力激励结构振动易引起流激噪声的问题,设计了三种不同尾缘(尖锐型、方型和鱼尾型)结构的翼型,采用大涡模拟(LES)和声振理论计算了其流场和声场,并在水洞中开展了声振特性实验研究,得到了不同攻角下各翼型的声振特性:各翼型的振动加速度总级和总声压级均随着攻角的增大而增大,其频谱曲线除峰值点外基本上随着频率的增大而减小.数值计算和实验结果均表明:尖锐尾缘翼型的振动和噪声最大,鱼尾型尾缘翼型的较小,可为水下航行器翼型的声学设计提供理论指导.     

基于声扰动方程的矩形柱绕流噪声数值模拟

为了研究低雷诺数下钝体绕流噪声,提出一种混合声学预报方法.采用声扰动方程(APEs)结合浸入边界算法(IBM)对矩形柱绕流噪声进行模拟研究.首先通过方柱绕流模型对混合方法和边界条件进行验证,然后讨论不同迎角下方柱的流噪声特性及0°迎角下矩形柱长宽比对声场的影响规律.结果表明:方柱绕流仿真结果与文献计算值符合较好,说明本文方法有效;随着迎角增加,声压级和声传播角相应变化,30°迎角下声压级较大;矩形柱的辐射噪声低于方柱辐射噪声,并随着长宽比增大逐渐减小,主要是因为尾流区形成卡门涡街的位置向下游移动,降低了尾涡强度和升力变化;矩形柱尾涡脱落和升力变化是主要的噪声源.