非紧致结构气动噪声数值积分预测方法研究

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1、学校代码10699分类号V211.3密级学号2010100198题目非紧致结构气动噪声数值积分预测方法研究作者王芳学科、专业流体力学指导教师蔡晋生申请学位日期2015年4月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：非紧致结构气动噪声数值积分预测方法研究作者：王芳学科专业：流体力学指导教师：蔡晋生2015年4月NumericalIntegralPredictionMethodsofAerodynamicNoiseforNon-compactBodiesByWangFangUndertheSupervision

2、ofProfessorCaiJinshengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofFluidMechanicsXi’anP.R.ChinaApril2015摘要摘要非紧致结构气动噪声问题广泛地存在于航空航天、工业生产及交通运输等多个领域。大型民航飞行器在起飞、降落或飞行阶段所产生的气动噪声问题尤其严重，因而气动噪声的

3、数值预测受到普遍的关注。混合计算气动声学(HCAA)方法简单易行，具有计算复杂度低、计算效率高和成本费用低等优点，被广泛用于工程实际应用。该方法的基本思路是将流场和声场分开求解，结合CFD手段获得近场流动数值解，然后通过声传播方程计算远场噪声。其中，Lighthill声比拟理论思想简洁且适用性强，可以快速求解噪声传播。为了研究非紧致结构引起的散射效应，本文基于Lighthill声比拟假设发展了非紧致结构的气动噪声数值预测模型，主要研究工作和创新点包括如下几个方面：(1)基于涡声理论和压力分解方法建立了低马赫流

4、动气动噪声的声压积分方程，噪声计算包括物面散射声压计算和远场任意观察点声压计算两部分。对低马赫数圆柱绕流气动噪声进行数值预测，声场分布特征与Curle方程一致。考察湍流脉动与噪声传播之间的关系，结果显示噪声随频率的变化与湍流脉动的变化趋势一致。数值研究表明该方法能够精确求解低马赫数流动气动噪声，并且直观的反映了旋涡与声波之间的关系。(2)提出了一种非紧致边界气动噪声辐射散射统一积分计算方法。该方法将流场脉动量分解为流场数值计算捕获的主要由流体运动引起的流动脉动分量和流场计算未捕获的主要由噪声传播引起的声学脉动

5、分量两部分，基于Lighthill的声比拟理论和格林函数波动方法获得声学计算的统一积分方程。采用二阶精度格式进行可压缩流动计算，通过统一积分方程得到非紧致边界的散射声压，然后求解远场任意观察点的声压。对二维、三维圆柱开展气动噪声数值计算，计算结果与文献结果吻合。数值研究表明本文方法能够减少流场高精度计算所需的工作量，而且能够捕获非紧致边界的散射效应，同时能够模拟可压缩流动气动噪声的声场特征。(3)针对复杂结构、包含多个物体的物理模型及振荡结构的气动噪声问题，提出了非紧致可渗透边界气动噪声数值积分计算方法。选取

6、包围所有物体的光滑边界为可渗透边界，气动噪声计算包含可渗透边界散射声压计算和远场任意观察点声压计算两部分。对圆柱、Rod-Airfoil模型、30P30N翼型开展气动噪声数值计算，可渗透边界积分计算方法获得的结果与物面积分计算方法及文献结果吻合。数值研究表明可渗透边界气动噪声积分计算方法可以精确模拟非紧致边界的散射效应，能够降低计算复杂度，并有助于改善气动噪声的数值计算效率。(4)为避免飞行器起飞、降落或者低空飞行阶段地面边界散射声源计算所需的工作量，结合镜像源方法提出了半空间内非紧致边界气动噪声数值积分计算

7、方法。通过二阶I摘要精度的DES模型进行流动数值模拟，采用非紧致边界积分方法进行散射声场计算。首先，对半空间内圆柱、NACA0012翼型及30P30N翼型开展气动噪声数值计算，结果表明半空间内地面边界的散射效应引起声场复杂且剧烈的变化。其次，开展亚音速方腔流动噪声数值预测，计算结果与高精度计算气动声学方法吻合，声压级随频率呈现逐渐递减的变化趋势。数值研究表明本文方法能够模拟非紧致边界和半空间边界的散射效应，无需求解地面边界散射声源，显著提高了半空间气动噪声的数值计算效率。(5)结合自由空间声传播方程，建立了运

8、动非紧致边界时域格林函数积分方程，借助该方程和Lighthill声比拟理论可以考虑任意边界情形的噪声分布。选取圆柱为研究对象，在圆柱附近放置静止和运动点声源，所获得的远场噪声分布与解析解吻合，时域噪声的特征变化符合声波传播规律。对低马赫数流动圆柱绕流噪声进行数值预测，时域计算方法获得的结果与频域方法的结果及实验数据吻合，远场噪声随时间呈现周期性变化，噪声分布特征与流场脉动一致。数值研究表明本文方法可