为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明...

为研究新型分布式涵道尾桨噪声特性,建立了基于滑移网格和可穿透积分面的分布式涵道尾桨气动、噪声特性分析方法并验证了方法的有效性。流动控制方程采用非定常雷诺平均N-S方程,空间离散采用二阶逆风Roe格式,时间推进方法采用隐式LU-SGS格式,湍流模型采用S-A一方程湍流模型,噪声求解方法采用FW-H方程。基于建立的方法,对比分析了传统变总距孤立尾桨和电动变转速多涵道尾桨气动与噪声特性。结果表明相同气动力状态下,相比于变总距孤立尾桨,在尾桨噪声主要影响方位(桨盘平面内),三涵道尾桨噪声降低5~6 dB。随着转速降低,分布式涵道尾桨噪声声压级逐渐降低。

风力机在运行时会产生明显的气动噪声,影响周边居民的生活。为研究风力机叶片损伤对气动噪声的影响,文中对NACA0012翼型表面不同位置受损的情况进行数值模拟,在此基础上利用大涡模拟及Lighthill声类比方法求解了攻角5°时的气动噪声,并分析了气动噪声的影响因素。计算结果表明,翼型升阻力系数及气动噪声的变化均与损伤位置相关,其中吸力面前缘受损影响最大,且损伤会导致中高频段声压级升高,对周边居民的生活影响增大。

风力机翼型绕流对整机性能以及气动噪声水平具有重要的影响.采用大涡模拟与Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程相结合的方法,求解风力机翼型的非定常流场及远场气动噪声.通过本征正交分解(POD)方法提取翼型在8°攻角下的涡量流场模态.模态结构表明,尾缘涡团和层流分离泡是翼型主要流动的非定常特征.通过扩展本征正交分解(EPOD)方法获得与远场气动噪声最相关的模态结构,揭示与气动噪声产生及传播最相关的边界层中的涡结构与尾迹中的大尺度涡团.

尖端延伸可改变自由剪切层的形成和发展,并对缝翼噪声辐射产生影响。首先,基于30P30N多段翼型及DDES瞬态流场仿真方法,分析该翼型在两种尖端延伸方式下的压力、湍动能及瞬态涡量等参数的分布趋势;其次,利用FW-H积分法分析缝翼的远场噪声声压级与指向性分布特征;最后,基于∇2ρ瞬态流场结构分析方法,研究缝翼尖端延伸对剪切层涡结构的动态演变规律,及其对气动噪声特性的影响。结果表明尖端延伸可有效改变缝翼流场参数分布,其中沿剪切层方向延伸,可减弱缝翼凹腔的湍动能强度,减小气流分离涡的特征尺度,在一定程度上抑制缝翼噪声的辐射(低频段窄带峰值降低约3 dB)。

低频窄带噪声是缝翼噪声的重要组成部分,研究其产生机制是缝翼噪声抑制的重要途径。基于30P-30N多段翼的瞬态流场分析,采用本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)方法研究缝翼瞬态压力脉动的模态结构特征,获得缝翼瞬态流场主要特征模态以及窄带频率分布;利用经验模态分解(EMD)和互相关分析,保留原始瞬态压力信号的低频特性进行重构,并根据特征点的延迟时间及几何关系确定低频窄带噪声源位置。研究结果表明,低频窄带声源主要集中在特征模态压力脉动较大区域,如缝翼尾缘、剪切层下游及回流区;同时,在非特征模态的缝道及主翼前部区域也存在低频窄带声源,这些区域主要特征为由剪切层撞击壁面引起的缝翼尾缘与主翼前缘之间流场结构的相互作用。

由于俯仰角的存在,水平轴风力机在运行时可避免叶片与塔筒的碰撞,但这也对风力机气动噪声的产生及传播带来影响。为探究不同俯仰角对风力机气动噪声的影响规律,文章采用大涡模拟(LES)结合声学方程(FW-H)对不同俯仰角下的风力机声场进行数值模拟。模拟结果表明随着俯仰角的增大,风轮输出功率先增大后减小,当风轮处在3°俯仰角时,风力机输出功率最大,能量有一个明显扩散,声压级整体有所上升,气动噪声上升幅度变大;存在俯仰角时,气动噪声沿轴向与展向的传播规律与未俯仰时相似,随着俯仰角的增加,最大声源位置从叶中向叶尖移动;A计权下风轮在3°俯仰角时声压级幅值增幅最小,因此3°俯仰角为最佳俯仰角。

在标准流线型杆件基础上改进形成4种杆件,利用有限元AnsysCFD大涡(LES)模型及FW-H噪声比拟模型对各自远场气动噪声进行数据计算和傅里叶(FFT)转换,结果表明两侧平滑且尾椎为弧形的杆件远场气动噪声声压级最小;杆件的远场气动噪声具有明显的指向性,且不同外形杆件的指向性是一致的;杆件侧面造型是气动噪声主频的主要影响源,尾椎形状的改变未对气动噪声主频造成影响;杆件尾流中周期性涡街脱落产生的脉冲压力是决定声压大小的主因,通过改变杆件外形调节尾流涡街脱落的频率可以达到减噪的目的。

基于大涡模拟(LES)及Kirchhoff-Ffowcs Williams-Hawkings(K-FWH)方程,对400 km/h速度级下高速磁浮列车与高速列车气动/声学特性进行对比研究,获取高速磁浮列车气动激扰发声关键特征;通过分区合理构建扰动源积分面,对600 km/h高速磁浮列车辐射气动噪声进行数值模拟研究。研究结果表明高速列车车体不平整,几何诱导发声为主要发声机制;而高速磁浮列车车身平顺,尾车流线型区域附面层分离引起的空间扰动是主要发声源;当磁浮列车以600 km/h运行时,气动激扰发声的能量主要由尾车流线型区域偶极子声源及尾流区域四极子声源组成;尾流区四极子声源的平均辐射贡献超过偶极子声源的平均辐射贡献,达到60.9%。

为了研究高速电梯轿厢的气动外形设计对气动噪声的影响,采用Transition k-kl-omega模型分析了3种轿厢外形与气动噪声的关系,研究了高速电梯轿厢及其上下两端分别安装锥形整流罩和拱形整流罩时,轿厢周围流场与气动噪声特性以及整流罩对轿厢气动噪声的影响。利用Fluent软件对轿厢高速运行产生的流场进行了仿真,获得了轿厢表面的空气流速和静压力。仿真结果表明拱形整流罩相比于锥形整流罩气动性能好,风噪消减效果更显著,同时,给出了整流罩拱顶高度的优化值,为高速电梯整流罩的设计提供了有益参考。