【技术贴】气动声学分析理论

本文摘要（由ai生成）：文本主要介绍了跨音速流动需要特殊模拟技术的原因，以及 PowerFLOW 中跨音速仿真的应用。跨音速流动具有高可压缩性、更高的阻力和冲击波的形成等特征，现有的亚音速和超音速流动模拟方法无法有效地模拟跨音速流动。因此，SIMULIA PowerFLOW 引入了一种专门为跨音速区域设计的新型混合模拟方法，该方法结合了格子玻尔兹曼方法和甚大涡模拟技术，能够在保证准确性的同时，提高模拟效率。这种混合模拟方法在空气动力学和气动声学挑战方面有许多应用，例如飞机社区噪音、飞机上的空腔、涡扇发动机噪音等。为什么跨音速流动需要特殊的模拟技术？在流体动力学中，介质中的声速是最重要的参数之一。声速 1 马赫标志着流动行为的尖锐阈值，过渡区域（通常为 0.8 马赫到 1.2 马赫）被称为跨音速区域。跨音速流动的标志包括高可压缩性、更高的阻力和冲击波的形成。客机通常以 0.8 马赫或更高的速度巡航，发动机和进气口等结构周围的局部气流可能超过 1.0 马赫。了解跨音速流动对于了解飞机的空气动力学和噪声分布至关重要。计算流体动力学 （CFD） 可用于模拟飞机等物体周围的气流。存在用于模拟亚音速（低于 0.8 马赫）和超音速（高于 1.2 马赫）流动的成熟方法。然而，跨音速区域更具挑战性，特别是因为亚音速和超音速流可以共存。亚音速流动的模拟方法无法捕获 1 马赫左右和以上流动的行为，而能够模拟高度可压缩流动的方法具有更高的计算成本，并且可能会受到数值耗散增加的影响（图 1）。为了解决这个问题并允许准确而有效地模拟跨音速流动，模拟 PowerFLOW的引入了一种专门为跨音速区域设计的新型混合模拟方法。 图 1：单极子的声学方向性，将解析解与纯跨音速 （TS） 仿真和混合高亚音速/跨音速 （HS/TS） 仿真进行比较。由于耗散降低，混合仿真显示出更好的结果SIMULIA PowerFLOW 中的跨音速仿真SIMULIA PowerFLOW 是业界领先的 CFD 工具，广泛用于航空航天、汽车和风能等行业的空气动力学和气动声学仿真。PowerFLOW将格子玻尔兹曼方法（LBM）技术与甚大涡模拟（VLES）结合使用。LBM 是一种高效且准确的方法，用于模拟大型复杂几何形状周围的流动。LBM有不同的配方，用于模拟不同类型的流动。单层晶格模型可以模拟弱可压缩的高亚音速（HS）流，而多层晶格模型更适合于0.95马赫以上的高可压缩跨音速（TS）流。为了能够有效地模拟跨音速流动，PowerFLOW最近引入了一种新的混合求解器方法。这仅在具有高速 TS 流的特定区域使用具有高阶多层晶格的 TS 求解器，而在包含低速流的仿真域的其余部分使用具有常规单层速度晶格的 HS 求解器。两者之间的界面保证了质量、动量和能量守恒，并在固定和旋转参考系和网格之间提供了精确的流动过渡。这确保了强大、可靠的混合仿真。混合 HS/TS 仿真提供的结果与实验和完整的 TS 求解器仿真结果（图 2 和 3）一致，计算成本要低得多。在某些情况下，由于数值耗散较低，它提供了更准确的结果（图 1）。（用于模拟高速流动的混合晶格玻尔兹曼方法，有关这方面的更多信息欢迎联系） 图 2：用于验证的 ONERA M6 机翼模型（左），显示了 TS 和 HS 区域之间的接口（右） 图 3：图 2 中机翼不同横截面的压力系数 （Cp）跨音速流动混合模拟的应用这种混合仿真方法在空气动力学和气动声学挑战方面有许多应用。例如飞机社区噪音是航空公司和机场的重大关注点。由于噪音而遭到当地社区的反对，往往会导致对机场的限制，例如减少运营时间或限制某些飞机。精心设计可以减少噪音并提高社区对飞机的接受度。噪声通常是跨音速现象的结果，而混合仿真有助于准确有效地仿真噪声。这种混合方法非常有用的一个例子是用于分析飞机上的空腔。空腔内的共振（例如，管道或其他开口）会产生很大的噪声，并引起振荡，从而导致疲劳失效。仿真域中的马赫数可能会因局部超音速和亚音速流动而有很大差异。型腔内可能会出现复杂的流动行为。超音速空气射流会引起马赫波辐射，其中涡流相对于周围气体以超音速对流传播。这些导致剪切层不稳定性与超音速相速度。使用混合求解器可以准确有效地揭示这些效应。例如，它可用于模拟机翼或飞机周围的冲击引起的抖动。这是一种固有的跨音速现象，需要模拟亚音速和超音速流动。冲击引起的抖动仿真结果与标准基准的实验数据非常吻合。（使用基于格子-玻尔兹曼的跨音速求解器进行自助餐模拟，有关这方面的更多信息欢迎联系）另一个应用是涡扇发动机噪音。发动机内部的风扇尖端在全速行驶时可以达到或超过 1.0 马赫。风扇叶片的方向、位置和几何形状的微小变化会破坏气流的对称性。这会导致发动机内部的干扰，当叶尖达到声波条件时，次谐波分量会以多重纯音 （MPT） 的形式从发动机进气口辐射出来，也称为嗡嗡声。模拟嗡嗡声需要对整个发动机进行建模，风扇叶片会随机变化。使用跨音速求解器，作为NASA研究公告项目的一部分，我们首次能够模拟跨音速嗡嗡声。（使用Lattice-Boltzmann方法在跨音速工作条件下的风扇音调和宽带噪声模拟，有关这方面的更多信息欢迎联系）结论模拟跨音速域中的气流（例如，在飞机和发动机周围以 0.85 马赫的速度运行）可能具有挑战性。通常存在亚音速和超音速流动区域，每个区域都最好通过不同的方法解决。PowerFLOW 提供混合仿真方法，划分仿真域，以便将最佳方法用于流程的每个部分。PowerFLOW 方法可确保模拟体积之间的界面节省质量、能量和动量，并提供准确的流动过渡。这使得混合求解器准确且鲁棒，同时还降低了所需的计算成本和仿真时间。已发表的文章显示，PowerFLOW混合求解器与标准基准测试的实验数据非常吻合。 达索系统公司是法国知名的工业软件企业，专注于3D设计软件、数字化实体模型和产品生命周期管理等领域。其软件解决方案广泛应用于航空航天、汽车、建筑等行业，为企业数字化转型和创新发展提供有力支持。达索系统致力于以技术创新引领工业进步，不断推动行业发展。 懿朵科技，总部位于上海，作为达索集团在中国区的合作伙伴，是以振动与噪声控制为核心的高新科技企业。凭借多年行业经验及算法积累，懿朵科技为轨道交通、汽车行业、航空航天等领域提供整车及零部件优化、软件开发、减振降噪产品设计、故障诊断与健康管理、环境振动噪声测试与预测、专业工具/软件销售等服务。在追求卓越的道路上不断创新，为客户提供技术支持与解决方案。 来源：懿朵科技