用CFD/FW-H混合方法计算圆柱/翼型的气动噪声

气动噪声预测的关键在于提高流场的预测精度,特别是对涡流扰动的细节描述。文章采用的是计算流体力学(CFD)与"声比拟"相结合的方法,通过2个步骤模拟流动的声学远场。第1步,在包含所有声源的近场区域内,通过使用DES方法获得控制面处的非定常流场参数;第2步,采用基于可穿透数据面的FW-H方法模拟声学远场。该方法与传统的半经验方法相比,具有计算量小,计算精确,易于工程实现,可以计算非线性噪声。文中对比了URANS和DES 2种方法所算的气动噪声结果。在频域上计算了观测点处的声压级随斯托劳哈数和频率的变化,其结果与国外试验结果对比取得了较好的一致性。     

基于非结构嵌套网格的旋翼-机身干扰流场数值模拟

文章基于非结构动态嵌套网格对直升机旋翼/机身干扰非定常流场进行了数值模拟研究。流场区域被分为2个相互嵌套的子域,即运动区和静止区。运动区包含桨叶,并且随着桨叶一起旋转,静止区包含机身,通过重叠区域传递流场信息。采用非定常Euler方程和双时间推进方法模拟了美国佐治亚理工学院旋翼/机身干扰实验外形非定常流场,并将计算结果与实验值以及文献的计算值进行了对比分析,吻合较好,得出了旋翼机身干扰的一些规律。     

某SUV型汽车后视镜气动噪声数值仿真

为有效降低汽车气动噪声,依据声类比思想将气动噪声计算分成流场和声场计算,采用全域与子域分步计算流场和ACTRAN计算声场相结合的方法对某SUV型汽车后视镜的3种方案的气动噪声进行数值仿真,得到车外流场与车内外的声场及声压级频谱曲线,分析流场云图和声压级频谱曲线的变化规律.结果表明:方案III的后视镜因边缘凸起改善了侧窗外流场湍流脉动压力、漩涡和声源位置分布,减少了后视镜通过侧窗传播到车内的噪声.数值仿真结果与实验测试结果吻合较好,验证了方法的正确性.该方法可优化车内声场的分布,提高司乘人员舒适性.     

后视镜造型对前侧窗气动噪声的影响

前侧窗区域的气动噪声主要来源于车外后视镜,为降低此区域的气动噪声,基于后视镜-平板风洞实验,对5款后视镜进行数值模拟研究。稳态分析采Realizable k-ε模型,瞬态分析采用基于Realizable k-ε模型的分离涡模拟(DES),此数值模拟方法监测的噪声数据与风洞实验结果基本一致。对比分析了5款后视镜平面流线图、表面声功率图和压力云图等,得出后视镜镜罩、基座造型、安装角度等造型因素对前侧窗区域气动噪声影响较为明显,适当调整组合这些造型因素,可有效减小后视镜对前侧窗气动噪声的影响,对后视镜结构的优化设计有较好的借鉴意义。     

压气机动叶CLOCKING效应对叶片气动负荷的影响

为研究某型燃气轮机中间三级轴流压气机第二级动叶片的CLOCKING效应及其对静叶片气动负荷的影响,采用基于谐函数(harmonic)的非定常计算方法对三级压气机进行数值模拟,分析流场尾迹输运以及叶片非定常气动负荷.计算结果表明,动叶片处于不同CLOCKING位置时,非定常流场具有截然不同的熵输运特点,因而在不同的气流激振力作用下各列叶片气动负荷差别较大.在CLK2位置上,静叶片气动力始终为正值,且波动幅值明显比其它位置小,气动力方向角波动范围最小,且气动力矩波动幅值和方向改变次数最少,具有最稳定的气动负荷.     

无限大转动圆盘的数值模拟及其收敛策略

采用数值模拟的方法对转动圆盘进行计算.为了克服计算过程中迭代发散的问题,将转动圆盘作为非定常流动进行计算,待计算到一定时间后,边界层速度场基本形成,再将所计算的非定常流场的结果作为定常流动的初始流场进行计算,从而使收敛过程稳定,有效的避免了计算发散.最后将数值模拟的结果和精确解的结果进行了比较,发现数值模拟结果与精确解相吻合.     

稳态数值模拟在轿车外气动噪声源预测中的应用

以某轿车模型和不同形状参数的外后视镜模型为研究对象,通过稳态雷诺平均那维尔斯托克斯方法求解轿车外流场。根据流场计算结果,应用Lilley公式获得轿车车外气动噪声源分布。数值模拟结果与文献[4]中风洞试验数据吻合较好。此外,还总结了外后视镜形状参数对气动噪声的影响,通过外后视镜区域压力分布解释了其形状参数影响气动噪声的原因,为轿车设计初期阶段降低气动噪声提供参考。     

鸮翼前缘非光滑形态消声降噪机理

长耳鸮扑翼噪声测量试验表明,其翼前缘圆弧齿状非光滑形态对其飞行降噪影响显著。应用逆向重构技术,对长耳鸮翼前缘非光滑形态特征几何信息进行量化,并建立仿生类比模型。采用计算气动声学方法,对仿生前缘非光滑模型的降噪特性进行了数值模拟,并通过分析仿生非光滑形态对模型表面流场的影响,对仿生非光滑形态气流噪声控制机理进行了研究。结果表明,仿生非光滑模型与光滑模型相比,可降低气流噪声5～10 dB,且具备一定的增升作用;仿生前缘非光滑形态具有整流及控制气流分离的特性,可减少由于翼表面气流压力脉动及涡流脱离引发的气流噪声。     

连栋塑料温室自然通风流场的稳态模拟—— 防虫网对温室内流场的影响

以Navier-Stokes方程为基础，运用计算流体动力学软件CFX对华东地区典型结构的连栋塑料温室内的自然通风流场进行了三维稳态模拟，分析了防虫网对温室内自然通风流场的影响.模拟温室采用1∶10的缩小模型，外界风向取平行于温室屋脊方向.模拟结果表明，不论温室是否配置防虫网，温室内的气流场分布均不对称.在无防虫网条件下，风压通风占主导作用，温室下部侧窗为主要通风口，气流强度在顶窗开口对侧区域相对剧烈，气流运动不均匀.在温室设置防虫网后，温室内气流强度有所减弱，热压通风作用增大，此时顶窗成为温室通风的重要部位；相对无防虫网的情况，温室内气流运动虽然在顶窗开口对侧中下部、顶窗开口侧上部有局部加强，但整体运动较为均衡.     

三步有限元的大涡模拟

采用三步有限元法求解不可压缩非定常流的Ｎ－Ｓ方程直接模拟后台阶流、平面流场中的旋涡运动及流场的压力分布特性,采用亚格子湍流模型,对雷诺数Ｒｅ＝５．５×１０５的流动做了计算分析。空间离散采用速度、压力同阶的三角形三节点单元。根据计算结果绘制了速度向量图,并对流场的压力分布进行了分析,分析表明,用该方法计算所得结果与有关资料吻合较好。该方法为大涡模拟在工程上的应用提供了一定的依据。     

Study on the flow behaviour and aerodynamic noise characteristics of a high-speed pantograph under crosswinds

The aerodynamic noise of high-speed trains increases significantly under crosswinds. Researches have typically focused on the characteristics of aerodynamic loads and the corresponding safety issues, with less attention to flow-induced noise characteristics. In the present paper, the near-field unsteady flow behaviour around a pantograph was analysed using a large eddy simulation. The far-field aerodynamic noise from a pantograph was predicted using the Ffowcs Williams-Hawkings acoustic analogy. The results showed that asymmetric characteristics of the flow field could be observed using the turbulent kinetic energy and the instantaneous vortexes in crosswind conditions. Vortex shedding, flow separation and recombination around the pantograph were the key factors for aerodynamic noise generation. The directivity of the noise radiation was inclined towards the leeward side of the pantograph. The aerodynamic noise propagation pattern can be considered as a typical point source on spherical waves when the transverse distance from the pantograph geometrical centre is farther than 8 m. The sound pressure level grew approximately as the 6 th power of the pantograph speed. The peak frequency exhibited a linear relationship with the crosswind velocity. The numerical simulation results and wind tunnel experiments had high consistency in the full frequency domain, namely, the peak frequency distribution range, the main frequency amplitude and the spectral distribution shape.     

大涡模拟-Lighthill等效声源法的空腔水动噪声预测

为了考察空腔产生的水动噪声,对气动声学理论与研究方法进行了分析,确立了大涡模拟-等效声源混合法.利用大涡模拟计算空腔非定常流动的流场结构,基于有限元/无限元法利用变分形式的Lighthill声类比方程进行声场的求解.利用该混合法考察了雷诺数为1.2×105的空腔算例频域内噪声的辐射特性,基频值的预测结果与文献基本一致,低频纯音的远场辐射具备指向性,沿上游方向辐射能量较高,高频宽带噪音的传播不具指向性.     

Investigation of the aeroacoustic behavior and aerodynamic noise of a high-speed train pantograph

As one of the main aerodynamic noise sources of high-speed trains, the pantograph is a complex structure containing many components, and the flow around it is extremely dynamic, with high-level turbulence. This study analyzed the near-field unsteady flow around a pantograph using a large-eddy simulation(LES) with high-order finite difference schemes. The far-field aerodynamic noise from a pantograph was predicted using a computational fluid dynamics(CFD)/Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H) acoustic analogy. The surface oscillating pressure data were also used in a boundary element method(BEM) acoustic analysis to predict the aerodynamic noise sources of a pantograph and the far-field sound radiation. The results indicated that the main aerodynamic noise sources of the pantograph were the panhead, base frame and knuckle. The panhead had the largest contribution to the far-field aerodynamic noise of the pantograph. The vortex shedding from the panhead generated tonal noise with the dominant peak corresponding to the vortex shedding frequency and the oscillating lift force exerted back on the fluid around the panhead.Additionally, the peak at the second harmonic frequency was associated with the oscillating drag force. The contribution of the knuckle-downstream direction to the pantograph aerodynamic noise was less than that of the knuckle-upstream direction of the pantograph, and the average sound pressure level(SPL) was 3.4 dBA. The directivity of the noise radiated exhibited a typical dipole pattern in which the noise directivity was obvious at the horizontal plane of θ=0°,the longitudinal plane of θ=120°,and the vertical plane of θ=90°.     

IEC阵风作用下箱梁断面的气动特性分析

基于二维非定常不可压缩雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用CFD（computational fluid dynamics）方法对箱梁断面在IEC（international electrotechnical commission）阵风以? 5°～+ 5°攻角作用下的气动力及流场特性进行数值模拟分析,获得了IEC阵风作用过程中箱梁断面的三分力系数的总体变化特征、入口边界静压变化特性及流场内静压的顺压和逆压特性等。分析表明,IEC阵风模型比TSI（technical specifications for interoperability）阵风模型更适于桥梁气动力的数值模拟分析。     

高速列车受电弓空气动力学对弓网受流的影响

为了研究高速列车弓网受流特性,考虑受电弓平均稳态与非稳态气动力影响,基于受电弓的非稳态空气动力学模型,采用均匀来流假设,运用计算流体力学(CFD)方法得到受电弓各部件的气动升阻力.将非稳态气动力时间平均,得到平均稳态气动力,并将具有一定脉动的受电弓非稳态气动力及平均稳态气动力分别加载至弓网动力学模型中,对比了2种气动力加载情形下弓网动力学. 仿真结果表明:在受电弓三质量块模型下,受电弓平均稳态与非稳态空气动力学对弓网受流的影响差别不大.进一步从受电弓非稳态气动力激励的振幅与频率两方面研究了其对弓网受流的影响,当外部激励振幅较大或频率与弓网系统频率接近时,弓网受流特性会受到显著影响.研究结果为将来考虑非均匀来流、横风等复杂气动条件下的弓网受流特性研究提供了基础.     

对旋风机非定常湍流计算及整机压力脉动分析

利用Realizable k-ε湍流模型对某对旋风机进行了全流道非定常湍流计算,预测了前后两级叶轮附近两对动-静干涉面以及一对动-动干涉面上压力脉动的频域分布情况,分析了压力脉动沿干涉面径向的传播变化规律.分析结果表明,后级叶轮叶片对叶轮区域压力脉动的影响要远大于前级叶轮.分析结果可以作为对旋风机叶轮部分气动噪声预估的参考依据.     

通用的插值补充格子Boltzmann方法应用于计算气动声学

提出将通用的插值补充格子Boltzmann方法（GILBM）应用于非均匀网格进行计算气动声学研究. 通过顶盖驱动方腔流、低雷诺数圆柱绕流算例验证GILBM数值模拟方法的正确性. 在此基础上,将该方法应用于高斯脉冲传播、周期性声源传播、二维圆柱绕流的气动噪声计算. 研究结果表明,GILBM方法可以在非均匀网格上较好地模拟高斯脉冲及周期性声源声波的传播过程,计算结果与解析解较吻合. GILBM方法能够模拟非均匀贴体网格下的圆柱曲面边界由于涡脱落造成的气动噪声的产生和传播过程,可以较好地捕捉到近场及远场的声压传播. 圆柱绕流声学特性呈现出偶极子现象,计算结果与参考文献较吻合,证明采用GILBM方法在非均匀网格中模拟声传播问题的正确性及求解气动声学问题的可行性.     

喷射流场及其辐射声场数值模拟

为研究喷管结构对射流噪声的影响,采用大涡模拟对不同截面形状喷口形成的非定常湍射流场进行了数值模拟.在流场计算的基础上,结合Ffowcs Williams-Hawkings积分方程对远场声场进行了计算,得到不同喷管结构对应的湍射流场的流动结构及其辐射噪声的频谱特性.计算结果表明,椭圆形截面喷管的出口附近存在大量的旋涡结构,增大了射流边界层处的气流掺混,从而降低了射流核心区的长度,有效抑制了喷射噪声,在5种不同结构的喷管中,椭圆形截面的喷管对应的辐射声压最低,而矩形喷管对应的辐射声压最高;在射流方向的30°～75°扇形区域内,辐射声信号最强且存在明显的指向性.