非紧致边界气动噪声数值预测方法

通过寻找满足非紧致边界的精确格林函数,发展了一种基于声模拟理论的非紧致边界气动噪声数值预测方法。该方法首先采用边界积分方法计算满足相应边界条件的精确格林函数,然后采用精确格林函数求解FW-H方程,进行远场气动噪声预测。考虑了非紧致边界对声波传播的散射作用,适用于尺寸较大且几何外形复杂的边界与非定常流动相互作用诱发的气动噪声的数值预测。以雷诺数90 000、马赫数0.2的圆柱绕流诱发的气动噪声为例,数值预测了非紧致边界条件下的气动噪声,并与采用自由空间格林函数求解FW-H的计算结果进行了对比,对该方法进行了验证。     

气动噪声预测中非紧致格林函数的数值计算方法

采用声模拟理论预测非紧致结构与非定常流动相互作用诱发的气动噪声时,为考虑边界对声场的散射影响,需要应用非紧致格林函数。为此,发展了一种基于边界元思想的非紧致格林函数数值计算方法,该方法适用于任意外形结构,能直接计算非紧致格林函数及其偏导数。以二维圆柱边界为算例,采用理论解析方法推导了非紧致格林函数及其偏导数的正确表达式,并将数值计算方法结果与理论解析方法结果相比较,验证了数值方法的正确性。     

半空间内二维圆柱声散射理论解析解

采用理论解析方法研究半空间内二维非紧致圆柱的声散射。齐次Helmholtz方程的解在柱坐标系内用自由空间格林函数的级数展开式表示。基于镜像源方法,利用刚性半空间边界反射圆柱散射声波来解决半空间边界和圆柱之间的多重散射。结合等效源原理,处理半空间边界质量型阻抗特性和刚度型阻抗特性对声传播的影响,推导单位强度简谐单极子点声源产生声场的理论表达式。总声场可以表示为四个分量的总和:入射声场、反射波以及圆柱和镜像圆柱的散射声场。采用边界积分方法对声散射进行计算,以验证理论公式的正确性。点声源模型的理论解析值与边界积分方法数值解在研究的波数和观察点角度范围内一致。     

二维圆柱对旋转单极子点源的声散射

采用理论分析和数值计算方法研究二维刚性圆柱对旋转单极子点源入射声波的散射效应。齐次Helmholtz方程基本解在极坐标系内用自由空间格林函数的级数展开式表示。对任意形状的刚性散射边界,通过求解线性声学波动方程建立声场边界积分表达式。数值解可在频域下采用边界元方法获取。进一步利用贝塞尔函数的加法定理,分别推导点源与圆柱同轴、异轴旋转状态下的声场理论解析表达式。边界元方法的数值解与理论解析解吻合一致。点源向外辐射声波的频率由点源谐振频率、旋转频率和谐波阶次共同决定。点源与圆柱同轴旋转时,谐波阶次为0 的声波以同心圆状向外辐射,不为0 的声波则以螺旋状向外辐射,螺旋瓣的数量由谐波阶次的绝对值相同。点源与圆柱异轴旋转时,圆柱的声散射呈现显著的偶极子特征,且声场的指向性复杂。     

二维声场的边界元分析

本文将边界元法应用于二维声场分析,给出了以第二类汉克尔函数为基本解的数值计算公式,比较了处理奇异积分的三种不同方法。通过对三种不同边界条件的管道声场和脉动圆柱的辐射声场的计算并与精确解比较,表明了方法是正确而有效的。     

用快速多极方法预测圆柱绕流的气动噪声

采用声模拟理论预测气动噪声时需要大量的计算时间,快速多极方法将传统点对点计算转变为点集之间的相互作用,可以有效加速计算。基于二维自由空间格林函数的分波展开方式,推导了FW-H方程应用快速多极变换后的积分核函数与计算公式。计算了低马赫数圆柱绕流的非定常流场;并由此预测了气动声源。随后,分别采用传统方法和快速多极方法计算其声场分布。结果表明,基于分波展开方式的快速多极方法能准确计算圆柱绕流气动噪声,在频率较低时能大幅减少声场计算时间,且观测点数越多,加速效果越明显。     

快速多极子边界元法预测船舶舱室噪声

将快速多极子边界元法应用于船舶舱室噪声预测,考虑振动、刚性以及阻抗三类边界条件,计算得到舱室表面的辐射声压云图以及监测点处的声压级,通过和Virtual. Lab Acoustic软件计算结果比较验证方法的正确性;此外,通过和传统边界元法在总计算时间上的比较,表明快速多极子边界元法在计算大尺度声学问题中的高效性。     

圆柱碰撞冲击噪声理论分析与数值仿真

基于接触动力学相关理论和弹性体线接触理论模型,建立了圆柱碰撞冲击理论数学模型,结合声学理论对圆柱碰撞冲击辐射噪声进行了理论预估。采用有限元法与瞬态边界元法相结合的瞬态噪声数值仿真方法,对圆柱碰撞冲击噪声进行数值仿真,实现了瞬态冲击噪声辐射声波的可视化。分析结果表明圆柱碰撞冲击噪声主要由加速度辐射噪声产生,圆柱碰撞冲击噪声辐射声场具有明显指向性。对比理论分析结果、数值仿真结果以及Hertz点接触模型计算结果可知,理论分析结果与数值仿真结果吻合较好,而Hertz点接触模型将圆柱体线接触模型简化为点接触模型,导致接触时间延长,接触力和冲击噪声幅值降低。基于数值仿真方法及理论分析,研究了冲击速度及材料弹性模量对圆柱碰撞冲击噪声的影响。     

计算气动声学中的高阶Nodal-DG方法研究

气动噪声的直接模拟对数值格式的色散、耗散特性提出了严格的要求。基于描述声波的线性双曲方程,运用本征值方法分析了高阶Nodal-DG方法的色散、耗散特性。结果发现,对于任意给定的m阶多项式基函数,数值波解有m+1个值,但仅有一个能够表示对应微分方程的物理波传播方式,其余的都是寄生波,且两种波型的传播方向相反。通过与Tam的DRP格式和Lele的六阶紧致格式进行比较,发现在相同的计算精度下,Nodal-DG方法的有效求解波数范围介于DRP格式和六阶紧致格式之间。通过对初始扰动为高斯波形的计算比较发现,在较少的网格数下,Nodal-DG方法的计算结果可以与紧致格式的计算结果相比,但优于DRP格式的计算结果,非常适合于气动声学的数值模拟,为气动声场的直接计算提供了一种新的方法     

基于动态近似边界条件的气动弹性数值模拟

发展了一种利用欧拉方程计算非定常气动力的数值方法,通过在固定物面边界上满足动态近似边界条件计算出非定常气动力,避免了在每个时间步重新生成网格或需用动网格技术进行网格变形处理过程,提高了计算效率。运用这种方法计算了一系列非定常气动力算例,并与非结构动网格准确边界条件下的欧拉方程解和实验数据进行了比较,进一步分析了翼型俯仰角和马赫数对非定常气动力相对误差的影响。将气动力解算器与结构方程耦合进行气动弹性数值模拟,计算了跨音速具有S型颤振边界的二元气动弹性标准算例-Isogaiwing。算例结果表明,利用动态近似边界条件的欧拉方程具有简便、高效的特点,并能在小振幅情况下得到与精确边界条件精度相当的非定常流场解,还可以用于气动弹性分析。