基于声传播方程的气动噪声混合方法研究及应用

摘要

计算气动声学是应用数值方法研究流体自身、流体与固体边界相互作用所引起的发声，以及声音在流体中传播的一门学科。现有的计算气动声学方法主要分为直接数值计算方法和混合数值计算方法。相比于直接数值计算方法，混合数值计算方法将计算区域分割为声源区域和传播区域，在传播区域中将声的传播近似为线性过程进行求解。这种采用分区域求解策略的混合数值计算方法，因具备计算量小、搭配方式灵活等优点而被广泛应用。在传播区域中，声传播方程的求解主要有声比拟方法和离散求解声传播方程方法两大类。相比于声比拟方法，离散求解声传播方程方法具有模拟声波在非均匀流场传播的能力，并且能反映声波之间的相互作用。基于离散求解声传播方程方法的优势，本文开展了湍流脉动速度生成与声传播方程耦合求解的计算气动声学混合方法研究，建立了气动噪声混合预测程序。在此基础上，探索分析增升装置缝翼的宽频噪声、空腔流激振荡噪声两类声学问题。
　　本研究主要内容包括：⑴基于曲线坐标系下声传播方程，搭建了一套具备处理声源在非均匀流场中传播能力的数值模拟方法。针对声传播方程数值求解中所涉及的高阶时空离散格式、人工粘性格式、边界条件、MPI并行技术等方面，进行了理论研究及相关程序编写。采用不同模板的 DRP格式对声传播方程进行空间离散；选取高精度大时间步长的龙格库塔格式实现时间推进；在对称模板的 DRP格式基础上，探索了曲线坐标系下如何在交界面、奇异点等间断处添加人工粘性；对于远场边界的处理采用理想匹配层边界条件，其空间离散选用一种相对于7点单侧DRP格式更稳定的单侧差分格式；在网格块之间的信息传递方面，采用基于多块结构网格区域分裂的MPI并行技术。针对程序的各个模块，分别选用国际标模进行测试分析，计算结果与解析解的对比结果验证其可靠性。⑵针对多尺度网格的计算气动声学问题，基于WENO改进格式，发展了多块网格交界面处的通量重构方法。依据 DRP格式的思想，选取不同相位误差与幅值误差的权重系数，优化获得不同色散耗散特性的 WENO改进格式。在此基础上，利用混合形式的矢通量分裂方法，通过选取其不同的耗散系数，对网格交界面处的间断大小进行判断。通过对不同初始条件的一维对流方程计算分析，结果表明 WENO改进格式可依据网格的分辨率自行判断网格间断的大小，并依此产生相应的耗散。借鉴交界面通量重构的思想，将网格交界面作为一种边界处理，采用耗散递增的 WENO改进格式，而网格块内部采用低色散低耗散的 DRP格式。进一步，在不同网格尺度下，开展了高斯脉冲在自由空间中的传播以及周期性点声源在三圆柱中绕流传播的计算分析，研究表明该交界面通量重构方法具备处理多尺度网格的计算气动声学问题。⑶考虑不同类型的声学问题，开展了湍流脉动速度的构造工作。在各向同性湍流场假设的背景下，基于雷诺平均NS方程实现了两类湍流脉动速度重构方法，即Bailly湍流脉动速度生成方法与Ewert湍流脉动速度生成方法。针对湍流脉动速度重构方法无法准确模拟周期性振荡类噪声问题，建立了依赖非定常可压缩NS方程求解的湍流脉动速度重解方法。选取30P30N三段翼型、M219空腔为研究对象，考察不同湍流脉动速度生成方法的仿真结果，并与参考文献对比，结果表明所开展的湍流脉动速度生成方法具备一定的可行性和可靠性。⑷为提高流场与声场信息传递中的插值效率，建立了一种耦合并行策略与距离减缩方法的改进搜索算法。采用一种适合于结构、非结构网格的形函数插值算法进行流场插值，实现了流场信息从流场网格到声场网格的快速传递。在此基础上，集成湍流脉动速度生成、声传播方程求解、流场与声场信息的传递、远场气动噪声求解方法等技术模块，构建了适合于复杂构型的气动噪声混合预测方法。将其应用于二维NACA0012翼型的后缘噪声、30P30N三段翼型的缝翼噪声以及 M219空腔气动噪声问题中，计算结果反映所构建的气动噪声混合预测方法具备模拟宽频气动噪声和流激振荡这类周期性噪声的能力。⑸基于所建立的气动噪声混合方法，探索了飞行器某些声源部件的气动噪声减噪措施。针对增升装置三段翼翼型的缝翼噪声问题，对比分析了不同几何形状的缝翼对其噪声的影响研究。结果表明，延长缝翼前缘“弯钩”的几何长度，可以增强剪切层的稳定性，从而延缓脱落涡分离，进而有效降低远场宽频气动噪声。针对武器舱空腔气动噪声问题，开展了采用不同射流量抑制噪声的研究工作。计算分析表明，若在空腔前缘采用合适流量的射流方式，可有效改变剪切层的形态以影响空腔的流场形态及声压分布，以达到抑制其噪声的效果。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 计算气动声学方法分类

1.3 计算气动声学国内外发展现状

1.4 本文主要研究工作

第二章 基于DRP格式的声传播方程数值方法研究

2.1 曲线坐标系下声传播方程

2.2 空间离散格式

2.3 人工粘性格式

2.4 时间推进格式

2.5 边界条件

2.6 并行加速技术

2.7 本章小结

第三章 WENO改进格式的交界面通量重构

3.1 基于DRP理论的WENO格式

3.2 交界面处的通量重构

3.3 算例验证

3.4 本章小结

第四章 湍流脉动速度构造

4.1 重构湍流脉动速度

4.2 重解湍流脉动速度

4.3 算例验证

4.4 本章小结

第五章 等效声源的气动噪声混合方法

5.1 气动噪声混合预测方法框架

5.2流场与声场的信息传递

5.3 可渗透积分面的FWH方程

5.4 算例验证

5.5 本章小结

第六章 混合方法在减噪措施中的应用研究

6.1 二维增升装置翼型缝翼气动噪声抑制研究

6.2 三维空腔流动气动噪声抑制措施研究

6.3 本章小结

第七章 研究总结与展望

7.1 研究总结

7.2 研究展望

参考文献

附录A

攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目

致谢

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