[发明专利]一种基于扰动方程的流动噪声模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于扰动方程的流动噪声模拟方法，首先引入紧致扰动方程CDE代替数值模拟NS方程，然后针对多尺度湍流现象，实现一种新的混合RANS/LES模拟方法，以解决LES模拟成本过高和混合RANS/LES方法在分区界面处模化应力不足的问题；再针对复杂双向流‑声干扰现象，实现一种流‑声分区耦合CFD/CAA模拟方法，以解决已有方法中难以分区耦合不同方程和求解变量进行高精度流‑声干扰模拟的难题。本发明不仅可以保持或提高模拟精度，同时可以大幅度降低计算成本；对于复杂的气动声学问题，还可以通过负载均衡优化，进一步显著降低计算成本。

技术领域

本发明属于流体力学技术领域，具体涉及一种基于扰动方程的流动噪声模拟方法。

背景技术

航空器在高速飞行中，发动机尾喷流、机体边界层等均可产生极强的噪声辐射。这些气动噪声由较小的湍流声源区内不同尺度的湍流涡扰动周围空气而产生，并在极大的声传播区中传播。声源区内的湍流涡具有较大的幅值和较小的时/空间尺度，大部分湍流动能通过非线性粘性耗散转化为热能，只有少部分以声波的形式辐射到环境中。而声传播区内的噪声脉动则具有极小的幅值和较大的时/空间尺度，其传播几乎是无耗散的。同时，当辐射声波在机体表面反射时，其反射声波可能对湍流声源产生反向干扰。

气动噪声本质是非定常湍流所产生的一种特殊流动现象。一方面，即使在极小的湍流声源区内，采用湍流本身的直接数值模拟方法(Direct Numerical Simulation,DNS)也具有目前最先进的超级计算机难以负担的计算资源消耗。另一方面，由于声源区和声传播区内流动参数脉动存在极为悬殊的幅值和特征尺度，利用完整NS方程同时解析湍流脉动和噪声脉动，不仅计算成本难以负担，而且难以调和二者对计算方法的数值误差截然不同的要求。因此，在实际应用中需要应用不同形式的简化控制方程来描述不同的流动现象。

对于湍流本身的高精度计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法，RANS(Reynolds-Averaged Navier Stokes)模拟方法可高效预测湍流的统计平均量，但无法解析湍流涡的非定常演化。高精度LES(Large-Eddy Simulation)方法可以解析大尺度湍流结构并模化小尺度结构的影响，但真实高Re数流动的数值模拟成本仍难以负担。混合RANS/LES方法(如Detached-Eddy Simulation,DES)则结合二者的优点，通过在壁面边界层采用RANS，其他部分采用LES方法来降低计算成本，但在二者界面处LES方法则因未能充分解析不同尺度的湍流涡而存在模化应力不足的问题。

对于流动噪声的高精度计算气动声学(Computational Aero-acoustics,CAA)方法，当辐射声波对近场湍流声源的反向干扰可以忽略时，混合LES/FWH声比拟方法是最有效的高精度数值模拟方法。该方法首先在近场湍流声源区采用LES方法解析非定常湍流声源，然后在第二步计算中，通过FWH声比拟方程的半解析解直接预测远场任意点的声压，从而避免模拟宽频噪声长程传播的模拟所需的极大的计算成本。然而，当流-声双向干扰较强时,例如机翼下方吊装发动机的湍流声源与翼面反射噪声的干扰，这种混合方法的计算成本相比非吊装状态时增加了数个量级。目前，已有部分研究采用简化方程，如线化欧拉方程(Linearized Euler Equation,LEE)模拟噪声传播，通过耦合声源区LES与声传播区LEE模拟来降低计算成本，但由于未能有效解决不同分区方程的方程变换、求解变量不一致、分区界面非物理反射等问题，仍未见该方法用于复杂流-声干扰现象的数值模拟研究报道。

发明内容