复杂物体湍流噪声的LBM/IBM方法研究及应用

In this project,a hybrid LBM/IBM will be developed for simulating noise induced by high Reynolds turbulent flow around complex bodies. To simulate high Reynolds unsteady flow, detached eddy simulation model is applied into the standard LBM combining with the present IBM; the linearized LBE controlling wave propagation is derived,low dispersion and dissipation high order finite difference LBM is developed to accurately simulate the wave propagation, subsequently,PML technique is extended to LBM after PML equations are derived and the stability is analyzed;a sharp-interface ghost-cell IBM is studied and developed in this project to make it be not only high order, but also low dispersive and dissipative; to validate the basic ability of LBM/IBM for simulating aerodynamic noise and its applications in engineering problems, benchmark problems and noise engineering problems are studied, and a technique of body-fitted mesh combining with IBM is used to reduce the whole computational cost. This project can provide a reliable,new numerical simulation method for solving aerodynamic noise engineering problems.

本项目主要研究高雷诺数下复杂物体引起湍流噪声的格子玻尔兹曼方法（LBM）/浸入边界法（IBM）的混合模拟技术。为模拟声源流场的非定常流动，结合现有的IBM方法，研究基于脱体涡模拟模型的LBM方法；推导控制声传播的线化格子玻尔兹曼方程（LBE），为准确地模拟声波的传播，研究高精度、低色散、低耗散有限差分LBM方法，将完美匹配层技术（PML）推广到LBM方法中，推导适用于LBM方法的PML方程并进行稳定性分析；研究与发展具有低色散和低耗散特性的高精度尖锐界面虚拟单元IBM方法，以便有效地处理湍流噪声问题；选取经典算例与复杂湍流噪声问题为研究对象，采用贴体技术与浸入边界结合的网格生成方案，验证LBM/IBM方法模拟气动噪声的基本能力及其应用。本项目的研究，期望为模拟气动噪声工程问题提供一套可靠的数值模拟技术。

高雷诺数流动引起的湍流噪声问题越来越受到科研人员、飞机、导弹设计者等的重视，在飞机尤其是大型民用客机的设计中，噪声问题是必须考虑的关键问题之一，它也是适航审定的重要指标之一。飞机发动机，起落架，含有襟翼、缝翼的增升装置等构件，特别是飞机起降阶段，是飞机重要的噪声源。再如，导弹飞行过程中弹体上的部件所产生的宽带气动噪声，会引起气流分离流、旋涡、湍流及其附面层相互干扰，必然对气动性能产生影响。因此，准确地预测湍流产生的噪声，正确地理解噪声产生和传播的机理，是有效控制噪声的重要前提。. 本项目主要研究高雷诺数下复杂物体引起湍流噪声的格子玻尔兹曼方法（LBM）/浸入边界法（IBM）的混合模拟技术。为模拟声源流场的非定常流动，结合现有的IBM方法，研究基于脱体涡模拟模型的LBM方法；推导控制声传播的线化格子玻尔兹曼方程（LBE），为准确地模拟声波的传播，研究高精度、低色散、低耗散有限差分LBM方法，将完美匹配层技术（PML）推广到LBM方法中，推导适用于LBM方法的PML方程并进行稳定性分析；研究与发展具有低色散和低耗散特性的高精度尖锐界面虚拟单元IBM方法，以便有效地处理湍流噪声问题；选取经典算例与复杂湍流噪声问题为研究对象，采用贴体技术与浸入边界结合的网格生成方案，验证LBM/IBM方法模拟气动噪声的基本能力及其应用。. 通过理论与数值模拟研究，形成了一套数值计算气动噪声的LBM程序，获得了湍流引起气动噪声模拟研究中的理论模型与气动数据，为今后进一步的研究奠定基础。在国内外期刊、学术会议上发表学术论文10篇，其中，SCI收录2篇，EI收录1篇。在科学出版社，出版学术专著1部。培养硕士研究生2名，博士后1名。所研究的气动噪声计算程序，应用到企业中产品设计中。. 研究高雷诺数下复杂物体引起湍流噪声的LBM/IBM方法，其科学意义在于，充分利用格子Boltzmann 方法的优势，将它应用到气动噪声计算中，期望为模拟复杂物体高雷诺数下产生的噪声提供一种新的计算途径。