非紧致可渗透边界气动噪声数值预测方法研究

Aeroacoustic noise of aircrafts with large configuration is a hotspot and difficulty problem in aeroacoustics. The traditional acoustic analogy predicting the scattering effect induced by non-compact bodies produces has high computational complexity, and it is hard to study the acoustic noise for complex configurations. To overcome these shortcomings, the smooth boundary surrounding all the bodies is chosen as the permeable boundary, and the unified integral equation of near and far field is presented in combination with acoustic component and Green’s function. In order to investigate the scattering noise produced by the half space, the integral equation with permeable surface is obtained combined with image Green’s function. The tailored Green’s function for complex half space is deduced with image Green's function and expanded with multipole expansion, then the fast algorithm of acoustic noise with complex boundary in half space is proposed. The theoretical and numerical method developed in this project contribute significantly in predicting the acoustic noise of complex configuration and revealing the propagation mechanism of the non-compact noise, and be valuable for noise control.

大型航空飞行器气动噪声问题一直是气动声学研究的热点和难点问题之一。采用传统声比拟理论研究非紧致结构的声散射往往带来巨大的工作量，使得复杂结构气动噪声的研究工作不易开展。本项目选择可渗透边界为积分边界，通过引入声学扰动变量和格林函数求解声学波动方程，获得近/远场气动噪声统一积分方程。为考察半空间边界引起的散射效应，结合镜像格林函数提出适用于半空间气动噪声的可渗透边界积分方程。对于复杂半空间边界问题，由镜像格林函数出发构造精确格林函数，借助格林函数多极展开的思路将所构造的精确格林函数进行多极展开，提出一种适用于复杂半空间边界气动噪声数值预测的快速计算方法。本项目研究成果有助于更精准的预测复杂结构的气动噪声，更清晰的认识非紧致边界和半空间边界诱发噪声的产生机制，进而为气动噪声控制提供理论基础和指导原则。

本项目从非紧致可渗透边界数值积分预测模型、复杂半空间边界散射效应研究和快速多级预测算法三个方面开展了非紧致结构气动噪声的数值预测研究工作。首先，建立了一种非紧致可渗透边界气动噪声数值预测模型，该模型以二阶精度流动计算结果为声源输入，避免了高精度流场计算。其次，开发了非紧致可渗透边界气动噪声数值计算程序源代码，结合圆柱、NACA0012翼型、Rod-Airfoil等计算模型开展了可渗透积分边界计算模型对于复杂结构气动噪声数值预测可行性的研究工作。选择围绕复杂结构的光滑边界开展声学计算能够精确获得等效散射声源，采用不同可渗透边界获得的远场噪声分布与物体表面积分计算相当吻合。再次，借助镜像格林函数开展了半空间内复杂结构气动噪声的预测研究，复杂半空间边界情形下可采用分段镜像等效源的研究思路考察半空间边界的散射效应，半空间声场实质上是实际声源噪声与镜像声源的叠加。最后，边界积分方程求解等效散射声源时采用多级快速预测算法，可以有效降低体积源项的计算量。.数值预测结果显示，非紧致可渗透边界积分预测方法能够避免高精度流动计算的巨大工作量；可渗透边界代替物面边界进行积分计算可以有效降低计算复杂度，克服了复杂边界积分计算产生的数值奇异性、数值误差等问题；快速多级预测算法实现了提高声学计算效率的目的。本项目开展的研究工作实现了进一步完善气动噪声数值预测理论和算法的目的，计算模型和数值算法的适用性较强，并有助于解决工程实际问题中可压缩流动气动噪声相关问题。