微孔共振腔吸声机理的直接数值模拟研究

声衬是由大量的微孔共振腔按一定规则排列组成,由于微孔共振腔的小尺寸和流动的复杂性,采用实验和理论方法难以观测其内部及附近的复杂流动情况。本文采用计算气动声学方法对不同频率和声强声波入射下的二维微孔共振腔的吸声过程进行了直接数值模拟.结果表明:(1)腔口处粘性耗散和涡脱落现象是其吸声的主要形式;(2)在不同的频率和声强入射下,微孔共振腔的吸声过程表现出三种不同的模式,分别为无涡脱落、规则涡脱落和不规则涡脱落;(3)微孔共振腔的吸声性能在入射波为共振腔固有频率时最好.

阵风与叶栅干涉噪声的数值模拟

采用计算气动声学方法求解二维线化欧拉方程对阵风与叶栅的干涉噪声进行了数值模拟。为减少频散和耗散误差,采用七点四阶频散相关保持有限差分格式进行空间离散;时间推进采用优化的4/6低频散低耗散龙格库塔法;在各边界处均选择或建立了适当的边界条件。首先通过模拟阵风在自由空间中的传播验证了无反射边界条件的可靠性;然后对阵风与平板叶栅的干涉问题进行了模拟,数值结果与精确解符合得很好;最后给出了阵风与NACA-0012翼型叶栅干涉的数值模拟结果,显示了数值求解方法的可行性。

圆柱/翼型干涉流场的试验研究

在风洞出口低速流中,以NACA0012尾缘钝化翼型为模型,利用粒子成像测速系统,研究了圆柱/翼型结构干涉流动时翼型前缘、近壁和尾缘区域的流场。试验结果表明,由于上游圆柱引起的卡门涡街和翼型相互干涉,在翼型前缘存在大尺度涡的变形、拉伸和破裂,在翼型表面近壁区域和尾迹流场中仅存在小尺度湍流涡,由此可以推断翼型前缘可能是干涉噪声的主要声源区。

跨声速自然层流标模CRM-NLF风洞试验快速转捩预测

中国商飞北研中心开发了快速CFD分析工具CFAST进行层流基本流场计算,单工况的计算时间仅为200 s,然后耦合转捩预测模块进行转捩预测分析,大幅缩减了计算周期,从而实现跨声速民机典型后掠机翼三维边界层的快速转捩预测。转捩预测模块基于线性稳定性理论的双e^(N)方法,可以同时考虑横流驻波不稳定模态和Tollmien-Schlichting波不稳定模态对转捩的影响。目前,公开的跨声速高雷诺数民机自然层流试验数据十分稀缺,本文以NASA公开的跨声速高雷诺数自然层流标模CRM-NLF为研究对象,研究了迎角、雷诺数和马赫数对转捩的影响。计算结果与试验结果以及基于RANS的转捩计算结果吻合很好,说明开发的快速转捩预测工具高效可靠,可以用于跨声速民机层流机翼设计和优化。

渐变边界与几种无反射边界的初步比较

简要介绍了通量渐变消失(gradually diminished flux,GDF)、完全匹配层(perfectly matched layer,PML)和牛顿阻尼边界条件,利用典型算例将这三种无反射边界进行了初步比较。

跨声速自然层流短舱气动设计和风洞试验研究

层流控制技术是一个降低摩擦阻力的有效手段,为了设计出更经济、更环保的民用客机,需要开展层流技术的应用探索。随着飞机发动机技术的不断进步,涡扇发动机涵道比在不断增大,因此,短舱尺寸也在跟着加大,如果短舱上能够实现大面积的层流,就可以为全机带来较明显的经济性收益。本文总结了针对宽体客机开展的自然层流(NLF)短舱气动设计、数值计算和风洞试验验证工作。首先针对层流短舱外形进行气动设计,保证巡航点有一定的顺压梯度,随后采用带有γ-Reθ转捩模型的计算流体力学(CFD)工具对设计方案层流区域进行评估,最后开展风洞试验对设计方案和转捩预测工具进行校核验证。该试验在德国ETW跨声速风洞进行,对层流短舱高速气动性能进行校核,采用TSP进行转捩位置测量,结果表明层流区域长度占短舱外表面弦长的30%~55%。

后缘发散翼型在宽体客机机翼设计中的应用

用计算流体力学手段,研究了在宽体客机机翼剖面上施加后缘发散修形设计可获得的收益。提出了一种使用幂函数表达扰动量的后缘发散修形设计方法,使用该方法研究了扰动幂次和后缘厚度对超临界翼型气动性能的影响规律,并对比了雷诺数4×10^(6)和2×10^(7)下后缘厚度对翼型阻力、力矩影响的差异。研究结果表明,后缘厚度是后缘发散翼型的关键参数,相同后缘厚度下雷诺数2×10^(7)的减阻效果不及雷诺数4×10^(6)。雷诺数2×10^(7)下,考虑跨声速减阻、亚声速增阻和低头力矩等因素后,后缘厚度取3‰c左右较为有利。尝试了后缘发散设计的两种应用思路,一是用来换取翼型厚度增加,二是用来调整机翼载荷分布。在翼型设计应用中,发现后缘厚度增加2‰c的修形量可使得最大相对厚度10.2%的超临界翼型在厚度放大到11.5%后仍具有不低于初始的升阻性能。在某宽体客机机翼方案上应用内翼1‰c和外翼2‰c的后缘厚度增量后,机翼-机身-短舱-吊挂构型可获得超过2 counts(1 count=阻力系数0.0001)的阻力下降,而不付出机翼厚度和阻力发散性能代价。

超声速全机带动力短舱对近场压力信号和地面声爆的影响

新一代环保高效的超声速商用飞机是近年来研究的热点,低声爆技术是关键技术之一。研究声爆的影响因素有助于推进低声爆设计技术的发展。就超声速飞机整机而言,发动机对近场和远场压力信号及地面声爆的影响颇为重要。国内外众多学者和研究单位对此进行了研究。中国商飞北研中心针对超声速带动力对近场压力信号和声爆的影响展开了一系列研究,选取美国AIAA声爆预测会议提供的低声爆验证标模NASA C25D,针对通气短舱和动力短舱构型进行了数值模拟和分析研究,采用基于Euler方法和基于RANS方法的定常计算,通过波形参数法由近场压力信号计算地面声爆信号,并转化为可感知强度值,与部分参会者的结果进行了对比。总结了黏性、是否带动力对超声速飞机近场压力信号和声爆的影响,为未来超声速商用飞机的低声爆设计储备技术基础。

面向工程应用的飞机流场快速自动分析工具开发

CFD分析技术目前已经成为飞机设计的主要手段,国外主要飞机制造商依托自主知识产权的核心求解器从事气动专业相关工作,如美国波音公司自主开发的TRANAIR软件[1].一款能够成功应用到工程上的CFD工具必须满足计算快速、分析准确、操作简单、运行稳定、功能全面等5方面要求,因此开发了面向工程应用的CFD快速自动分析SUN程序[2],采用内外流耦合流场分析技术,实现从前处理、网格生成、流场求解到后处理全流程一体化分析,可对机身、机翼、挂架和短舱部件组合的任意构型飞机亚声速和跨声速流场进行快速分析,形成具有中国商飞自主知识产权的核心CFD快速求解器,实现气动设计领域关键核心技术自主可控,在中国商飞多个项目中已经得到初步应用、支撑了相关工作开展.

完全耦合层边界条件在圆柱绕流DNS中的应用

数值模拟圆柱绕流问题是计算流体力学和计算气动声学中的一个经典问题,要准确模拟这一类问题,远场无反射边界条件是一个关键环节。本文采用适用于主控方程为Navier-Stokes方程的完全耦合层无反射边界条件对低雷诺数条件下圆柱绕流进行直接数值模拟,研究了计算域大小的选取对数值结果的影响。数值模拟研究表明:(1)由完全耦合层边界条件产生的相对反射误差很小;(2)如果仅是为了获得圆柱附近的流场和声场信息,采用完全耦合层边界条件可以选用较小的计算域;(3)适当增加计算域的上下边界宽度,可以很大程度地减小右边界的宽度,从而在保证精度的情况下减小计算量。

计算气动声学进展与展望

本文首先介绍了计算气动声学的起源和研究范畴,然后对计算气动声学早期进展及应用情况进行了简要回顾,主要围绕高精度空间时间离散格式和无反射边界条件这两个关键要素;然后重点讨论了近五年来计算气动声学的研究热点,包括非线性无反射边界条件、非均匀时间步长时间推进方法、适用于复杂几何边界的空间离散方法以及宽频时域阻抗边界条件;最后对计算气动声学的未来发展进行了简略的展望.

缩比发动机喷嘴热喷流噪声试验

为深入了解涡扇发动机喷流噪声特性,验证喷流噪声降噪方法,建立发动机喷流噪声数据库,在法国国家航天航空研究中心的CEPRA19声学风洞开展了缩比发动机喷嘴热喷流噪声试验测试工作。针对发动机热喷流模拟系统,设计加工了面积比(外涵喷嘴面积与内涵喷嘴面积之比)为5和7的两种喷嘴构型试验模型。通过减小高温区域单个零件长度尺寸和零件壁厚的方法,降低热膨胀对模型尺寸的影响。在声学风洞中完成了不同工况条件下两种面积比圆形喷嘴和锯齿形喷嘴的远场噪声特性测试。通过对远场测量噪声频谱进行分析,发现随着来流速度的增大喷流噪声会减小,采用锯齿形喷嘴设计在中低频喷流噪声水平降低,在高频噪声水平有所增加。

基于模态发生器的进气道风扇噪声及声衬降噪实验

为研究发动机进气道风扇噪声特性及声衬降噪效果,使用模态发生器提供声源,采用固定麦克风阵列和旋转扫描耙装置测量进气道内噪声信号,进而利用周向和径向模态分解方法得到声模态幅值,对影响模态分解结果的关键因素进行了研究。对周向模态在时域内进行分解,得到幅值和相位的时变特性。最后完成了2套声衬实验件降噪效果测试。结果表明:模态发生器提供的声源可获得风扇噪声的主要模态特征,包括模态幅值、旋转角速度等;满足采样定理条件,径向模态n=0情况下模态发生器产生的主模态和扬声器数量无关;使用旋转扫描耙装置测量声模态,旋转扫描耙的采样位置数对测量结果影响可忽略;在设计频率下,声衬降噪效果良好。模态发生器提供的进气道风扇噪声源可用于对声衬设计方法进一步实验验证。

大飞机的静谧之旅

随着人们生活水平的提高,乘机体验受到越来越多的关注。新一代商用飞机为提升产品竞争力都制订了舱内噪声的设计指标,以营造更加舒适的客舱环境。中国商飞北京民用飞机技术研究中心近期完成的一项关于国内航空公司飞机客舱噪声环境的调查表明,有42.39%的受访者认为客舱内的噪声是最影响乘坐舒适性的因素。