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基于SYSNOISE软件的飞行器气动噪声数值计算 |
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作者：LMS 沈飞翔 解妙霞 |
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1 引言
飞行器高速飞行中会与流体相互作用，在其表面附近会形成湍流边界层，从而在飞行器外表层产生强大的空气脉动压力场，所诱发的气动噪声场是一种在空间上非均匀分布的、在时间上随机分布的、具有宽带频率分量的高声强声场。该声场一方面向周围介质辐射噪声，另一方面作为随机激励源激发飞行器的壁面，对于具有高结构系数（面积与质量之比）的结构会产生高达50g的均方响应加速度，从而在飞行器的外部与内部会产生结构噪声，该噪声声场又反作用于飞行器结构，结构和声场相互耦合，使舱内外产生高声压级的恶劣动力学环境。对于这种由气动噪声而引起的振动，称其为“声振耦合作用”。 声振耦合作用的存在会大大降低系统的可靠性，因此在进行飞行器可靠性设计时，必须对声振耦合现象投入足够的重视。
研究声振耦合作用首先要研究飞行器周围声场的分布情况。随着气动噪声理论的发展，为声振环境的预示提供了坚实的理论依据。但是气动噪声方程式求解相当复杂，很难得到解析解。因此借鉴计算流体力学的方法，利用边界元和有限元作为工具，对气动噪声进行仿真分析有着重要的意义。
2 气动噪声发展简介
1952年，莱特希尔（Lighthill）在英国皇家学会会刊上发表了一篇研究流体发声机理的论文，在这篇论文中，他推导了后来以他名字所命名的方程，人们普遍把这项工作当作气动声学诞生的标志。从此以后，作为一门独立的学科分支，气动声学在理论和实践上都有了进一步的发展和应用。由于最初莱特希尔方程的求解是在自由空间假设下得到的，对于固体边界不起主要作用的情况下，如喷气噪声问题，其理论是基本适用的。然而，实验表明在很多情况下，固体边界的影响具有决定性的意义。1955年，柯尔（Curle）用基尔霍夫方法将莱特希尔理论考虑到静止固体边界的影响。结果表明，固体边界的影响相当于在整个固体边界上分布偶极子源。柯尔理论成功解决了诸如湍流中静止小物体的风鸣声、圆柱漩涡脱落诱发的噪声等问题。然而柯尔的理论并未涉及到运动固体边界和流体相互作用的情况，而这对于风扇/压气机转子、螺旋桨的噪声预测有着及其重要的意义。为使问题简化，1965年洛森（Lowson）研究了自由空间里的一个运动奇点的声场特性。后来，洛森的结果被直接用来建立直升机、压气机转子/静子干涉的噪声模型。1969年，福茨.威廉姆（Efowcs Williams）和霍金斯（Hawkings）应用广义函数法将柯尔的结果扩展到考虑运动固体边界对声音的影响，得到一个较为普遍的结果——福茨.威廉姆-霍金斯方程（FW-H方程）。尽管FW-H方程显示了重大的理论价值，但在很长一段时间内实际上并没有得到广泛的应用。这是因为运动边界具有延迟时间的积分十分困难并且也不便于进行数值解，而作为它的远场解，所得到的结果于过去相比并没有优越性。后来法拉赛（Farassat）将FW-H方程的积分形式进行十分巧妙的变换，并提出了相应的求解方法。无论是柯尔方程或是FW-H方程均假设声源传播的介质是静止的。这对于实际应用受到了一定的性质。1974年戈尔茨坦用格林函数方法研究了均匀运动介质下运动物体的发声问题，他所得到的普遍结果被称为广义的莱特希尔方程。而柯尔方程或、FW-H方程以及一些其他重要结果均是该方程的特殊情形。
但是气动噪声发展到至今，依然存在着一些不可避免的问题。比如说从莱特希尔到戈尔茨坦在对于流体发声问题求解时，都是从简化的均匀介质的角度考虑，忽略了非均匀介质这种情况。另外气动噪声方程式求解相当复杂，很难得到解析解甚至数值解。但是由于计算机的高速发展，借鉴计算流体力学的方法，在气动声学的计算上已经出现了一些突破。
3 SYSNOIS在气动噪声领域的应用
SYSNOISE是LMS公司开发的一套用于振动－流体分析的软件，可以计算模型的声学响应，如声压、声强、声功率等。在SYSNOISE（5.6）中，软件可以读取计算流体动力学（CFD）计算得到的流场分布，程序自动利用广义莱特希尔方程将流场分布结果转化为结构表面的偶极子声源和流场中的四极子声源，从而可以计算出这些声源作用引起的声场分布，并考虑声源周围结构引起的反射/衍射等声场特征。
4 模型的建立和求解
为了说明SYSNOISE软件在分析飞行器噪声中的应用，现假设飞行器为一圆柱壳体，其材料参数以及流体介质参数如表1所示。 表1 圆柱壳材料参数及流体介质参数
 根据上述参数，利用SYSNOISE软件建立该圆柱壳直接边界元模型如图1所示。
图1 圆柱壳体边界元模型
假设流体流动速度为344m/s，首先利用CFD分析的FLUENT软件计算得到流场分布结果，然后将气动力场结果导入SYSNOISE，并将其转化为模型表面的偶极子声源，此时就可利用SYSNOISE软件计算此圆柱壳体内外声场。
在上述偶极子声源下，在频率为1000hz时，距离圆柱壳体圆心1m处的外声场和0.1m处的内声场，如图2与图3所示。
图2 圆柱壳表面偶极子声源及外声场分布
图3 圆柱壳内声场分布
由于圆柱壳体是一对称结构，因此其声压关于轴向对称。为了获取声场随频率的变化情况，沿轴向取若干场点，绘制其声压值随频率的变化图，如图4与图5所示。 
图4 外声场声压随频率变化关系图
图5 内声场声压随频率变化关系图
通过图4、图5我们可以发现，虽然沿轴向声压值不相等，但是其总体变化呈现出一致的规律性，这是由结构本身所决定的。
5 结论
本文探索了利用SYSNOISE软件进行气动噪声计算的方法。将CFD技术和边界元软件有机的结合起来，利用其各自的优点，成功的计算出圆柱壳体在气动力场作用下的气动噪声场，为声振耦合的进一步研究奠定基础。 (end)
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(7/15/2009) |
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