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中低雷诺数层流翼型纯音气动噪声数值研究

冯欢欢  
【摘要】:微或小型无人飞行器和风力机等使用层流翼型的工业设备,在中低雷诺数(10~4(27)Re(27)10~6)条件下会产生强烈的纯音噪声,从而带来严重的噪声污染。因此,进一步理解层流翼型在中低雷诺数下纯音噪声,对于相关机械设备低噪声设计具有重要的意义。基于Lattice Boltzmann Method(LBM)与大涡模拟(LES)结合的LBM-LES方法,对层流翼型流场和声场进行直接计算,并对数值方法的可靠性进行验证。分别采用标准Smagorinsky、动态Smagorinsky和WALE三种亚格子模型对NACA0012翼型的多尺度复杂流场进行了数值模拟,通过分析相关流场参数和压力频谱特性,总结出可适用于反映翼型复杂的多尺度流场特性的亚格子模型。为了进一步探究中低雷诺数下层流翼型纯音气动噪声的性质,利用直接法对NACA0012翼型的流场和声场同时进行计算,研究了来流迎角、自由来流雷诺数对翼型非定常流动特征及翼型流场辐射噪声的影响。对于翼型的非定常流动,动态Smagorinsky模型在计算升力系数的时域过程表现出良好的对称性。流场结构的分析表明动态Smagorinsky模型相对于其他两种亚格子模型在数值模拟翼型流动时表现出较低的耗散性,更符合中低雷诺数下翼型绕流的真实流动,且可以很好的反映翼型边界层扰动变化的影响。此外,动态Smagorinsky模型可以捕获到明显的翼型后缘涡脱落纯音噪声的频谱特征。结合动态Smagorinsky模型通过对不同来流迎角、自由来流雷诺数下的翼型流场及纯音噪声进行研究可知,翼型的声源主要位于翼型的分离区和后缘处,在不同迎角和雷诺数下的声辐射特征均具有偶极子声场的特点;迎角的增大将引起较大的旋涡尺度和边界层扰动,吸力面声源区域前移。声压级频谱分析表明,随着迎角的增大,纯音噪声逐渐消失,噪声谱最终呈现宽频特征;随着雷诺数的增大,后缘压力脉动增大。声压级频谱中主频频率随着雷诺数的增大而增大,且符合Paterson公式的幂律关系。此外,声压级频谱特性随着雷诺数的增大表现出由离散特性向宽频特性转变的趋势。


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