基于改进虚拟单元浸没边界法的椭圆气动噪声问题数值研究

作     者：张阳 罗佳奇 曾先 

作者机构：浙江大学航空航天学院 

出 版 物：《航空学报》 (Acta Aeronautica et Astronautica Sinica)

年 卷 期：2023年

核心收录：

学科分类：08[工学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

基　　金：国家自然科学基金(12202383,92152202 ) 国家科技重大专项(2017-II-0006-0020,J2019-II-0012-0032) 浙江省自然科学基金(LXR22E060001) 

主　　题：浸没边界法 直接数值模拟 椭圆 尾迹涡 噪声 

摘      要：气动噪声的准确数值模拟对于研究航空发动机中叶片绕流噪声和涡声共振现象具有重要的意义。本文提出了一种基于局部边界加密的改进虚拟单元浸没边界法，将其与高精度有限差分算法相结合，成功实现了对低雷诺数气动声场问题的直接数值求解。该浸没边界法的改进之处在于通过在虚拟点之间构造多个中间节点，并依据边界条件建立流体域内镜像点与固体域内中间点之间关系，使得固壁边界的离散程度相比原来大为增加，这样起到对固壁边界局部加密的作用，从而使得边界的描述更为准确。通过对低雷诺数下圆柱绕流气动噪声问题的数值验证，本文提出方法所得到的升阻力特性、尾迹脱落涡演化以及近远场噪声传播特性与文献结果吻合较好，气动声场的计算精度得到了提高。对比研究了不同纵横比对椭圆绕流气动声源产生和噪声传播规律的影响，发现尾迹脱落涡交替排列并向下游演化，所形成的噪声场关于长轴线呈对称分布，其流动模式与声场特征与圆柱绕流类似，但其升阻力脉动以及噪声强度明显小于圆柱算例。进一步地，通过声压分解发现偶极子声源对整体噪声强度的贡献比重随着纵横比减小而下降，进而尾迹中单极子和四极子声源的贡献比重上升，直接导致了噪声传播方向性向上游偏转。