运动非紧致机翼绕流气动噪声预测及其控制机理研究

运动非紧致机翼绕流诱发的噪声问题是目前气动声学研究的热点与难点。传统气动声学计算都将运动机翼看作紧致几何体，无法考虑非紧致结构对声波的散射作用。本项目通过引入声学扰动分量重列声学波动方程，并利用广义Green函数求解该声学波动方程，结果显示观察点声压是声源在自由空间辐射声压和非紧致固体边界散射声压的叠加。为求非线性运动固体边界的散射声压，在利用边界积分求解具有延迟时间、包含三维流速影响的非齐次波动方程基础上，提出了运动边界积分方法。并在结构边界相关部位引入时域阻抗边界条件，用于分析吸声材料对声辐射的影响。结合修正的气动声学积分方程和运动边界声学积分方法，可全面计算各种气动声源所辐射的噪声，发展出更精确实用的气动噪声数值预估方法。相关数值结果可利用非定常流动和噪声试验进行验证。本项目的研究成果有助于更正确地认识非紧致边界绕流气动噪声的产生机理，进而为噪声的控制提供理论基础和指导原则。

项目采用混合计算气动声学方法对运动非紧致阻抗边界与流动相互作用诱发的气动噪声进行数值预测研究。采用非定常流动数值模拟方法获取近场气动声源。为提高非定常流动的计算精度，需要采用高质量的网格。项目通过采用新颖的多层嵌套重叠网格策略、可靠的重叠网格切割准则、快速的多级网格切割方法和高效的隐式切割技术，发展了一种多层多块隐式嵌套重叠网格技术以及相应的多级多重网格流动计算方法。对三段翼30P30N的定常、非定常流动进行了二维数值模拟，利用实验结果验证了数值模拟方法的可靠性。将非定常计算得到的流动信息作为输入数据进行气动噪声的预测。为了考虑非紧致边界对声波的散射，项目提出了一种非紧致边界气动噪声辐射/散射统一预测方法，通过将流场的脉动量分解为流动脉动和声学脉动，利用广义Green函数重新求解Lighthill声学波动方程，建立了非紧致边界与流体相互作用的气动噪声辐射和散射统一积分方程；在此基础上，对半空间内的气动噪声问题进行了研究，基于半空间格林函数，提出了考虑地面影响的半空间气动噪声辐射/散射统一预测方法。为了进一步考虑运动非紧致边界对声波的散射作用，项目提出了一种运动非紧致边界时域格林函数气动噪声预测方法，通过求解时域下的精确格林函数来考虑物体运动对声场的影响。为了分析阻抗边界对声波的散射作用，项目提出了一种非紧致阻抗边界气动噪声辐射/散射统一预测方法，该方法通过在固体边界施加阻抗边界条件，利用数值方法求解相应空间在频域下的精确格林函数来预测气动噪声。为提高声学计算的效率，对快速多极子算法在气动噪声预测中的应用进行了研究。将上述方法应用于圆柱、翼型的气动噪声预测，通过与实验结果和他人计算结果进行对比分析，验证了项目所提声学计算方法的可靠性。