基于格子Boltzmann方法的流噪声数值预测研究

作     者：王梁 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：裘进浩

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：格子Boltzmann方法 大涡模拟 浸入边界法 自适应构造Delta函数 声学阶跃波 声不对称传播 补偿定位法 FW-H 

摘      要：本文以民机适航认证中的气动噪声为应用背景,基于格子Boltzmann方法(LBM)进行了流-声联合数学建模仿真,主要研究工作如下:1.基于LBM对流场仿真方法进行了验证和研究。比较了大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)标准Smagorinsky模型和改进Inertial Range模型对二维方腔流场仿真的精度,并验证了LES-LBM的模型适配性。提出了自适应构造Delta函数法(Adaptive Construction Delta Function,ACDF),提高了浸入边界法(Immersed Boundary Method,IBM)的网格利用率。该方法使IBM中的Delta函数能够基于当地Reynolds数自动调整插值范围:高Reynolds数下缩减插值范围,保障体积力的梯度分布集中,提升高Reynolds下的网格计算精度;低Reynolds数下扩大影响区域,降低体积力的梯度,减小数值振荡。最终实现在不改变计算网格数目的前提下,保持稳定的计算误差。2.基于LBM对点声源的声场进行了直接数值模拟。通过多种手段,分析了不同边界条件对声传播过程的影响,评估了标准LBM模型对于声传播模拟的优势和劣势。并提出了声学阶跃波的简洁数学建模,给出了声源在向LBM传播声信号时的声学阶跃波产生的原因和特性。针对多极子声传播的不对称性进行了建模讨论,指出了声传播不对称是由LBM的介观量向宏观量恢复的计算流程引起的。针对LBM模拟传播过程中的声指向性仿真能力不足提出了补偿定位方法,极大提高计算精度以及声学定位法对平衡位置的利用率,定性分析了补偿定位法能提升定位精度的原因。3.基于LBM对复杂声场进行了间接数值模拟。给出了简化的频域声类比法的编程验证,并讨论了形状、位置和波长对声类比方法的远场声压预测结果和声指向性精度的影响。结合浸入边界法和大涡模拟模型,基于最适合LBM模型的FW-H面的形状、位置和波长,进行了方形块绕流的噪声预测,得到与DNS方法相一致的定量结果。证明了LES-IB-LBM与FW-H的联合仿真方法在气动噪声计算方面,拥有良好的精度和效率。