不同雷诺数下圆柱绕流气动噪声数值模拟

基于大涡模拟和声类比相结合的混合方法对不同雷诺数下二维圆柱绕流的远场气动噪声进行预测.预测值与试验数据吻合良好.根据预测结果分析圆柱绕流气动噪声的声场特性,研究流场振荡规律对远场噪声的影响和圆柱绕流气动噪声的辐射特性,并寻找降低圆柱绕流气动噪声的途径.结果表明:随着雷诺数的增加,远场各测量点的总声压级增大;声场的最大声...     

圆柱绕流气动噪声数值分析

为了快速预测刚性圆柱绕流的气动噪声,研究了一种将离散涡方法(DVM)和涡声理论结合起来计算低马赫数、高雷诺数流场气动噪声的方法。首先用Oseen粘性涡模型改进了离散涡方法并模拟了圆柱绕流,分析结果与实际情况相符。根据流场计算的结果,应用涡声理论进一步计算了远场的声压。测点的总声压级与实验值及其他数值计算结果都比较吻合。最后绘制了声场的指向性特性曲线,表明圆柱绕流声场明显的偶极子特性。     

非紧致阻抗圆柱气动噪声数值预测与控制方法

为预测非定常流动与非紧致阻抗固体边界相互作用产生的气动噪声,开发一种基于精确格林函数和声模拟理论的气动噪声数值预测方法。非紧致阻抗边界对声波的散射作用计入精确格林函数,远场噪声采用FW-H方程计算。对具有任意几何外形的非紧致阻抗边界,采用边界元方法计算满足声学硬边界或声学阻抗边界条件的精确格林函数。同时,推导了具有阻抗边界条件的二维非紧致圆柱精确格林函数的解析解用以验证数值计算方法。数值计算结果表明数值解与解析解的结果一致,数值解要取得好的网格收敛效果需要在一个波长内布置至少20个网格点。圆柱绕流气动噪声预测结果表明,非紧致边界的阻抗特性对声传播有显著影响,采用合适的阻抗布置方式可以取得有效的噪声控制效果。     

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。     

圆柱绕流近壁面处气动噪声源识别研究

对物体高速行驶下的气动噪声现象的认识和描述一直以来都是气动声学领域探索的基本问题和难点问题,尤其对物体近壁面处声源的产生及其声辐射缺乏有效的描述手段。该研究以圆柱绕流为研究对象,结合数值仿真手段,基于涡声方程的声源项描述圆柱绕流近壁面处的声源特性,建立声源识别方法。研究表明,该方法描述的声源存在不该有声源的位置出现声源的现象。研究进一步基于质点振速的矢量波动方程,将不能辐射噪声的源分离,较为准确地识别出了圆柱绕流气动噪声源的大小和位置。该研究在探索识别圆柱绕流气动噪声源方法的同时,也为准确识别气动噪声源特征提供了有效的方法。     

基于区域分解的快速多极基本解法预测发动机表面辐射声场

针对发动机表面结构复杂,多狭长边界,用通常算法求解源点分布无法保障基本解法计算精度问题,提出改进的计算源点分布算法,利用区域分解处理影响基本解计算精度的狭长边界;结合快速多极算法,形成适于三维复杂表面辐射声场预测基于区域分解的快速多极基本解法。利用区域分解求解发动机计算模型的源点分布,在源点分布已知基础上利用快速多极基本解法预测发动机表面辐射声场。结果表明,利用区域分解求得源点与配置点最优距离为34.5mm,可提高发动机辐射声场预报精度;截断项数为15时可避免截断项数过小引起的低频不稳定,并保证计算效率;不同于快速多极边界元用网格加密提高计算精度,基于区域分解的快速多极基本解法通过区域分解进行优化源点分布可提高精度,且不增加计算负担。通过发动机表面辐射噪声实验,计算值与实验值吻合较好,说明该解法可提高发动机表面辐射声场的预测精度。     

类高尔夫球表面处理对受电弓气动噪声的影响

针对高速列车弓网噪声,为降低主要由细长圆柱杆件构成的受电弓的气动噪声,建立三维圆柱绕流气动噪声分析模型,基于大涡模拟方法、声类比理论模拟圆柱杆件的流场特征,分析远场气动噪声频谱特性与分布规律,并对圆柱杆件表面作球缺型凹坑处理,分析表面处理方案的降噪效果。数值结果表明,来流与圆柱轴向所在平面法向的气动噪声受升力波动影响,声压级最大;圆柱来流方向前后气动噪声受阻力波动影响,声压级最小。圆柱表面球缺型凹坑处理方式可以有效降低圆柱杆件远场R=5 m处最大声压级,凹坑加密,降噪效果更好,优化模型II-1、II-2和II-3在R=5 m处最大声压级分别降低1.5 d B、1.9 d B和2.4 d B。相关结果可为高速列车噪声控制提供参考。     

考虑影响声传播因素的车用交流发电机气动噪声预测

为了更准确地预测车用交流发电机的气动噪声,基于计算流体力学及声类比理论,考虑影响声传播的因素,对实验室安装条件下的某型车用交流发电机气动噪声进行研究。利用大涡模拟方法计算了交流发电机内部三维非稳态流场;依据Lighthill声类比思想,将转子表面的压力脉动等效为旋转偶极子源点集;考虑发电机机壳及实验台面对声传播的影响,建立了以机壳内表面为声源边界的半自由声场计算模型,进而预测了发电机的远场气动噪声;最后,利用实测数据对发电机气动噪声仿真结果进行了验证。结果表明:交流发电机气动噪声的辐射声场具有明显的偶极子指向特性;仿真计算结果与实验测试结果具有很好的一致性。所提的研究方法能更准确地预测发电机的气动噪声,同时可为实车安装条件下的车用交流发电机气动噪声预测提供参考。     

有限长圆柱绕流气动噪声源特性分析

气动噪声源的能级、分布特性及其产生根源还不够清晰。以有限长三维圆柱绕流为研究对象,基于声源方程分析气动噪声源的种类构成及其与气动参数的关系,通过数值计算得到可压非定常流场,利用气动参数定量计算圆柱顶部、中部和底部的声源大小分布,研究声源的分布特性和产生根源。结果表明,在有限长圆柱绕流场中,以偶极子声源为主,单极子声源可以忽略不计,四极子源项的值比偶极子小1～2个数量级。偶极子主要分布在来流分离点及圆柱后壁面湍流涡二次碰撞区域,四极子主要分布在来流分离点及其向后拖曳区域。偶极子声源主要由于圆柱两侧涡脱落处的脉动压力在横向(y方向)上的二阶梯度引起。以上结果为气动噪声控制的进一步研究提供了借鉴和参考。     

基于快速多极子边界元法的齿轮箱声场分析

齿轮箱是广泛应用的工程机械零部件,准确地模拟其辐射声场对后续的降噪优化设计有着重要作用。边界元方法非常适合分析此类无限域下的声辐射问题。但传统边界元方法有着计算效率低、内存占用高的缺点。该研究发展了宽频的快速多极子边界元方法,并运用该方法计算了齿轮箱在特定频率下的场点声压以及辐射声场。通过对比商用软件的分析结果,验证了所提快速边界元方法的准确性。此外,运用多核并行计算方法,对计算量较大的扫频分析进行加速计算,最终快速、准确地获取了齿轮箱辐射声场的扫频结果。     

弹性波三维散射快速多极子间接边界元法求解

边界元方法对于无限域中弹性波散射求解具有独特优势,但求解矩阵的非对称稠密特征极大限制了该方法在大规模实际工程中的应用。为此,基于单层位势理论,结合快速多极子展开技术,通过对球面压缩波和剪切波势函数的泰勒级数展开,建立一种新的快速多极间接边界元方法,以实现大规模弹性波三维散射的精确高效模拟。算例分析表明所提方法能够大幅度降低计算时间和存储量,可在目前普通计算机上快速实现上百万自由度弹性波三维散射问题的快速精确求解。最后以全空间椭球形孔洞群对平面P波、SV波的散射为例,揭示了三维孔洞群周围稳态位移场和应力场的若干分布规律。该文方法对低无量纲频率（ka<5.0）的大规模多体散射问题尤为适合。     

基于压缩感知和快速波叠加谱方法的近场声全息

在等效源法近场声全息理论的基础上,将等效源强和积分核函数在轴对称虚拟面上进行双向傅里叶级数展开,使待求的源强向量转化为稀疏的傅里叶展开系数向量,并结合压缩感知重构算法中的基追踪降噪算法建立了一种基于压缩感知和快速波叠加谱的半解析、半数值等效源近场声全息方法。利用脉动球源与长条形声源对比了所提方法与传统压缩等效源法的声场重建效果。计算结果表明：当频率较低时,所提方法与传统方法的重建精度相当;但随着频率升高,所提方法的重建精度与抗噪性能均优于传统方法。     

弹性波二维散射快速多极子间接边界元法求解

求解方程的稠密矩阵特征极大削弱了传统边界元法在求解大规模实际工程问题中的优势。为此,结合快速多极子展开技术,发展一种新的高精度快速间接边界元方法,用于求解大尺度或高频弹性波二维散射问题。以全空间孔洞周围SH波散射为例,给出了具体求解步骤。算例分析表明该方法具有很高的计算精度和求解效率,同时能够大幅度降低计算存储量,可在目前主流计算机上实现上百万自由度弹性波散射问题的快速求解。最后以半空间中凹陷场地对SH波的高频散射为例,讨论了凹陷周围高频波散射的基本特征,可为峡谷地形中大型工程抗震设计提供部分理论依据。     

Partial-wave expansions of angular spectra of plane waves

Focused electromagnetic beams are frequently modeled by either an angular spectrum of plane waves or a partial-wave sum of spherical multipole waves. The connection between these two beam models is explored here. The partial-wave expansion of an angular spectrum containing evanescent components is found to possess only odd partial waves. On the other hand, the partial-wave expansion of an alternate angular spectrum constructed so as to be free of evanescent components contains all partial waves but describes a propagating beam with a small amount of standing-wave component mixed in. A procedure is described for minimizing the standing-wave component so as to more accurately model a purely forward propagating experimental beam.     

Computation of the External Magnetic Field, Near-Field or Far-Field, From a Circular Cylindrical Magnetic Source Using Toroidal Functions

A method is developed for computing the magnetic field from a circular or noncircular cylindrical magnetic source. A Fourier series expansion is introduced which yields an alternative to the more familiar spherical harmonic solution, Elliptic integral solution, or Bessel function solution. This alternate formulation coupled with a method called charge simulation allows one to compute the external magnetic field from an arbitrary magnetic source in terms of a toroidal expansion which is valid on any finite hypothetical external observation cylinder. In other words, the magnetic scalar potential or the magnetic field intensity is computed on a exterior cylinder which encloses the magnetic source. Also, one can compute an equivalent multipole distribution of the real magnetic source valid for points close to the circular cylindrical boundary where the more familiar spherical multipole distribution is not valid. This method can also be used to accurately compute the far field where a finite-element formulation is known to be inaccurate     

An implementation of the fast multipole algorithm for wave interaction problems on sparse arrays of floating bodies

This paper describes an implementation of the fast multipole algorithm using the free-surface Green??s function for ocean water waves. Its aim is to investigate different parameters of the fast multipole algorithm in order to efficiently carry out computations on sets of unknowns that are very inhomogeneously distributed in space. Some limits of the algorithm for this specific case are pointed out. Those limits are essentially due to slow convergence of the multipole expansion of the Green??s function. Eventually, a simplified algorithm for this specific application is described. The performance of the different algorithms is evaluated based on the computational time they require.     

Fast multipole method for micromagnetic simulation of periodic systems

We have developed a new method for computing the magnetostatic field of an infinite array of images of an arbitrary system of charges or multipoles. The result takes the form of a Taylor expansion of the potential of a "cored array" of distant images, as is required by the fast multipole method, the most efficient method known for calculating magnetostatic fields in very large systems. The new method is much faster and simpler to implement than the usual Ewald summation or fast Fourier transform, and does not require a regular grid inside the central cell.     

激光干涉仪反射镜三维温度场的快速多极边界元分析

温差造成光刻机激光干涉仪反射镜热变形,从而影响光刻机的精度。该文将基于二次单元的快速边界元法用于激光干涉仪反射镜的大规模温度场模拟。不连续单元的引入可以有效处理角点问题;新型快速多极算法用于边界元法的加速求解。建立统一的二次单元多极展开格式以处理混合边界。数值算例分析了快速多极边界元法的计算精度和效率,并和常规算法比较;使用该算法对激光干涉仪反射镜进行了大规模温度场计算,并和有限元法比较。结果表明:基于二次单元的快速多极边界元法可以高精度求解大规模三维传热问题。     

Adaptive fast multipole boundary element method for three-dimensional half-space acoustic wave problems

A new adaptive fast multipole boundary element method (BEM) for solving 3-D half-space acoustic wave problems is presented in this paper. The half-space Green's function is employed explicitly in the boundary integral equation (BIE) formulation so that a tree structure of the boundary elements only for the boundaries of the real domain need to be applied, instead of using a tree structure that contains both the real domain and its mirror image. This procedure simplifies the implementation of the adaptive fast multipole BEM and reduces the CPU time and memory storage by about a half for large-scale half-space problems. An improved adaptive fast multipole BEM is presented for the half-space acoustic wave problems, based on the one developed recently for the full-space problems. This new fast multipole BEM is validated using several simple half-space models first, and then applied to model 3-D sound barriers and a large-scale windmill model with five turbines. The largest BEM model with 557470 elements was solved in about an hour on a desktop PC. The accuracy and efficiency of the BEM results clearly show the potential of the adaptive fast multipole BEM for solving large-scale half-space acoustic wave problems that are of practical significance.