PowerFLOW中的跨音速流动仿真

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。

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）

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）

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。