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串列雙圓柱繞流的氣動(dòng)噪聲特性分析

2018-10-09 10:08高威陳國勇
計(jì)算機(jī)輔助工程 2018年4期

高威 陳國勇

摘要: 在OpenFOAM求解器中采用改進(jìn)型延遲分離渦模擬(improved delayed detached eddy simulation,IDDES)方法對(duì)串列雙圓柱的繞流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,使用K-FWH方程分析其氣動(dòng)噪聲特性,比較不同來流速度、圓柱間距比和圓柱直徑的雙圓柱繞流的氣動(dòng)噪聲特性。分析結(jié)果表明:來流速度、圓柱間距比和圓柱直徑對(duì)串列雙圓柱的氣動(dòng)噪聲特性都有顯著影響,在特定情況下還會(huì)出現(xiàn)沖擊純音噪聲、高分貝噪聲等聲品質(zhì)惡化現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞:串列雙圓柱; 改進(jìn)型延遲分離渦模擬; K-FWH; 氣動(dòng)噪聲

中圖分類號(hào): V226.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B

Abstract:The numerical simulation on flow field around tandem double cylinders is carried out using improved delayed detached eddy simulation (IDDES) method in OpenFOAM solver. The aerodynamic noise characteristic is analyzed by K-FWH equation. The aerodynamic noise characteristics under different flow velocity, different cylinder distance-diameter ratio and different cylinder diameter are compared with each other. The analysis results show that the flow velocity, cylinders distance-diameter ratio and cylinder diameter have obvious influence on the aerodynamic noise characteristic of the tandem double cylinders. In a particular case, there will be sound quality deterioration, such as pure tone noise, high decibel noise and so on.

Key words:tandem double cylinders; IDDES; K-FWH; aerodynamic noise

0 引 言

航空器的氣動(dòng)噪聲問題是航空領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。[1]飛機(jī)氣動(dòng)噪聲可分為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和機(jī)體噪聲2類,其中起落架和增升裝置是機(jī)體噪聲的重要聲源。CHOW等[2]對(duì)空中客車A340進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)起落架噪聲比襟翼噪聲高6 dB。起落架結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)研究中通常將其簡(jiǎn)化為串列雙圓柱。串列雙圓柱結(jié)構(gòu)流場(chǎng)中的交替性旋渦脫落會(huì)導(dǎo)致起落架結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生劇烈變化,引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲。因此,研究圓柱繞流氣動(dòng)噪聲具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際工程意義。

受旋渦脫落分離流動(dòng)復(fù)雜性和各種條件的限制,圓柱繞流氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)大多以模型試驗(yàn)為主。美國國家航空航天局的Langley研究中心對(duì)雙圓柱繞流進(jìn)行大量的空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和聲學(xué)試驗(yàn)[3],這些研究后來發(fā)展成為機(jī)體噪聲起落架模型計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)算例,國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行后續(xù)研究。計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法迅速發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)結(jié)合基于FWH方程的聲類比方法是當(dāng)前最有應(yīng)用前景的氣動(dòng)噪聲計(jì)算方法之一。[4]其中,計(jì)算流體力學(xué)往往采用計(jì)算資源消耗極大的大渦模擬(large eddy simulations,LES)方法。寧方立等[5]將起落架簡(jiǎn)化為圓柱體,利用LES方法和FWH方程相結(jié)合的方法,對(duì)串列雙圓柱繞流氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬。趙良舉等[6]對(duì)二維串列圓柱體繞流氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬。劉敏等[7]使用LES方法和Farassat-1A方程對(duì)串列圓柱體進(jìn)行流場(chǎng)和聲場(chǎng)模擬,研究在不同間距比下流場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)的聲壓頻譜圖的變化。

為彌補(bǔ)RANS在非定常湍流預(yù)測(cè)方面的不足,避免LES較大的網(wǎng)格量和計(jì)算量,SPALART等[8]在SA湍流模型的基礎(chǔ)上提出SA-DES方法。余雷等[9]采用DES方法結(jié)合FWH方程對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)算例進(jìn)行數(shù)值模擬,得到與試驗(yàn)結(jié)果基本一致的計(jì)算結(jié)果。綜合計(jì)算結(jié)果的精確性和計(jì)算資源需求,DES方法結(jié)合RANS和LES方法的優(yōu)點(diǎn),是目前預(yù)測(cè)氣動(dòng)噪聲最好的方法之一。柳陽等[10]研究STAR-CCM+和FLUENT這2個(gè)主流商業(yè)CFD求解器的計(jì)算精確性。

本文采用OpenFOAM的亞聲速非定常求解器,結(jié)合改進(jìn)型延遲分離渦模擬(improved delayed detached eddy simulation,IDDES),使用改進(jìn)的DES模型SA-IDDES[11-12]和基于Kirchhoff積分[13]的可穿透控制面FWH(K-FWH)方程[14]對(duì)圓柱繞流氣動(dòng)噪

聲進(jìn)行研究。

1 模型與方法驗(yàn)證

1.1 標(biāo)準(zhǔn)算例模型

根據(jù)文獻(xiàn)[3]和[9]的驗(yàn)證過程,串列雙圓柱即直徑相同的圓柱體沿來流方向并列排布,圓柱直徑D=57.15 mm,2個(gè)圓柱的間距L=3.7D,來流速度V=43.4 m/s,雷諾數(shù)Re=1.66×105。根據(jù)文獻(xiàn)[4]的建議,雙圓柱繞流模型坐標(biāo)系原點(diǎn)位于上游圓柱的中心,計(jì)算域的選取為:-10D≤x≤25D,-10D≤y≤10D,0≤z≤3D。為保證表面y+<1,壁面法向第一層網(wǎng)格距離取10-4D。計(jì)算域網(wǎng)格見圖1。設(shè)置展向邊界為周期性邊界條件,圓柱壁面為無滑移壁面邊界條件,其余邊界條件為遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。時(shí)間步長(zhǎng)為10-5s,噪聲采樣時(shí)間T>0.5 s。

1.2 方法驗(yàn)證

選取4種精細(xì)度不同的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證,并將上游、下游圓柱的平均阻力因數(shù)和渦脫落頻率與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圓柱氣動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果見表1。

阻力因數(shù)為在穩(wěn)定周期變化的300個(gè)對(duì)流時(shí)間單位的阻力因數(shù)平均值,渦脫落頻率為聲壓快速傅里葉變化后的聲壓級(jí)峰值頻率。由此可以看出,在網(wǎng)格精細(xì)度達(dá)到中等1以上時(shí),SA-IDDES方法對(duì)串列繞流數(shù)值模擬結(jié)果誤差均在可接受范圍內(nèi),從而驗(yàn)證IDDES數(shù)值方法的可靠性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證IDDES-FWH方法的精確性,采用網(wǎng)格精細(xì)度為中等2的計(jì)算模型,按照標(biāo)準(zhǔn)算例的初始條件,分別將上、下游圓柱平均表面壓力因數(shù)和觀測(cè)點(diǎn)(9.11D,32.49D,1.50D)處的噪聲功率譜密度(power spectral density,PSD)與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖2和3。

接近,噪聲計(jì)算結(jié)果的峰值大小、峰值頻率和低頻分布與試驗(yàn)結(jié)果均吻合良好,說明IDDES-FWH方法具有較高的精度。

2 串列雙圓柱繞流氣動(dòng)噪聲

參照文獻(xiàn)[3]中QFF試驗(yàn)的觀測(cè)點(diǎn)(9.11D, 32.49D),采用第1節(jié)的流場(chǎng)計(jì)算域尺寸和中等2網(wǎng)格,流場(chǎng)中基于Kirchhoff積分的可穿透控制面區(qū)域?yàn)?5D≤x≤10D,-5D≤y≤5D,0≤z≤3D,分別對(duì)不同來流速度v、圓柱間距比L/D和圓柱直徑d/D進(jìn)行噪聲變化分析,每組變量分5種情況。

2.1 來流速度對(duì)圓柱繞流遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的影響

在L/D=3.7、d/D=1.00的條件下,對(duì)v分別為20.0、30.0、43.4、50.0和60.0 m/s的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到的渦量瞬時(shí)云圖見圖4。由此可以發(fā)現(xiàn),隨著速度的增大,產(chǎn)生的渦脫落現(xiàn)象越來越明顯,上游圓柱下表面形成渦并交替脫落,下游圓柱受上游圓柱渦的尾跡影響,干擾較大。

在不同來流速度下,上、下游圓柱的平均阻力因數(shù)變化見圖5。上游圓柱的平均阻力因數(shù)隨速度的增大而減小,下游圓柱的平均阻力因數(shù)基本不變,總平均阻力因數(shù)減小。由于上游渦脫落對(duì)下游圓柱擠壓更明顯,所以下游圓柱平均阻力因數(shù)變化不明顯。

不同來流速度的噪聲功率譜密度見圖6。隨著來流速度的增大,上、下游圓柱產(chǎn)生的噪聲在整個(gè)頻域上都明顯增大,且速度越大噪聲峰值越大,從20.0 m/s時(shí)的78 dB增大到60.0 m/s時(shí)的101 dB。同時(shí),

渦脫落頻率變大使噪聲峰值頻率升高。

對(duì)比圖5和6可以發(fā)現(xiàn),雙圓柱繞流的總平均阻力因數(shù)與噪聲輻射的聲壓級(jí)呈負(fù)相關(guān)。下游圓柱

的聲壓級(jí)與總聲壓級(jí)大小相差不多,說明下游圓柱是整個(gè)串列圓柱的主要噪聲源。

2.2 圓柱間距比對(duì)圓柱繞流遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的影響

在v=43.4 m/s、圓柱直徑為D的條件下,對(duì)L/D分別為1.5、2.5、3.7、4.5和5.5的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。不同L/D的渦量瞬時(shí)云圖見圖7,上、下游圓柱平均阻力因數(shù)隨L/D的變化見圖8。當(dāng)L/D為1.5時(shí),上游圓柱產(chǎn)生的渦還未完全形成就貼附在下游圓柱的表面上,隨下游圓柱產(chǎn)生的渦一起脫落,此時(shí)下游圓柱的阻力因數(shù)最??;在L/D為2.5和3.7這2種情況下,上游圓柱與下游圓柱阻力因數(shù)的大小剛好相反,流動(dòng)情況更為復(fù)雜;當(dāng)L/D為3.7時(shí),總阻力因數(shù)最大,此時(shí)渦現(xiàn)象最明顯;當(dāng)間距比足夠大時(shí),如L/D為4.5和5.5時(shí),上、下游圓柱阻力因數(shù)相差不大,說明雙圓柱間的分離渦耦合作用不明顯。由圖7還可以看出,上游脫落渦在撞擊下游圓柱前大部分破碎成更小的渦。

不同L/D的噪聲功率譜密度見圖9。由此可看出:當(dāng)L/D=3.7時(shí),輻射噪聲最大,最大可達(dá)到94 dB;其他間距比條件下的噪聲功率譜密度在整個(gè)頻域上相差較??;當(dāng)L/D=3.7時(shí),總阻力因數(shù)最大,說明在L/D=3.7附近存在臨界間距比,該臨界間距比條件下的輻射噪聲和總阻力因數(shù)最大。

2.3 圓柱直徑對(duì)圓柱繞流遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的影響

在v=43.4 m/s、L/D=3.7的條件下,對(duì)d/D分別為0.50、0.75、1.00、1.25和1.50的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在不同d/D下的渦量瞬時(shí)云圖見圖10,平均阻力因數(shù)見圖11。隨著d/D的增大,圓柱表面產(chǎn)生的脫落渦尺度更大。

由圖11可以看出:當(dāng)d/D=0.50時(shí),總阻力因數(shù)最大;隨著d/D的增大,上游圓柱的阻力因數(shù)總體減小,下游圓柱阻力因數(shù)開始增大,在d/D為1.25和1.50時(shí),上游圓柱阻力因數(shù)比下游圓柱阻力因數(shù)小。

不同d/D的噪聲功率譜密度見圖12。當(dāng)d/D=0.50時(shí),頻率為340和700 Hz附近的噪聲出現(xiàn)尖銳的“突刺”。這種現(xiàn)象在物理上稱為沖擊純音噪聲,是一種離散型單頻噪聲。這種噪聲的峰值會(huì)比附近其他頻域的聲壓級(jí)高20~30 dB。此類噪聲對(duì)人體的聽力有損傷,并且容易引起機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞。沖擊噪聲的形成與上游圓柱表面產(chǎn)生的分離渦有關(guān)。來流被直徑小的圓柱急速剪切,產(chǎn)生的渦前后間距較小、尺度較小、方向相反,但頻率很高、耗散較小,對(duì)下游圓柱表面的作用更集中。在60~300 Hz的低頻段,d/D越大,響應(yīng)噪聲越大,這與圓柱表面積增大時(shí)分離渦對(duì)圓柱產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)增大有關(guān);在300~3 000 Hz的較高頻段,除沖擊噪聲外,d/D的變化對(duì)輻射噪聲的影響較小。

3 結(jié) 論

基于開源求解器OpenFOAM,利用IDDES-FWH方法對(duì)串列雙圓柱繞流的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)算例,數(shù)值模擬與試驗(yàn)的結(jié)果吻合,說明此算法具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性。

考慮來流速度、圓柱間距比和圓柱直徑這3個(gè)因素對(duì)串列雙圓柱繞流氣動(dòng)噪聲的影響,可得出以下結(jié)論。

(1)增大來流速度,渦脫落的頻率增加,噪聲峰值頻率升高,且在整個(gè)頻域上輻射噪聲顯著增大。來流速度的變化對(duì)下游圓柱的平均阻力因數(shù)影響不大,下游圓柱是主要的噪聲源。

(2)圓柱間距比存在臨界值,使輻射噪聲和雙圓柱系統(tǒng)的總阻力最大。

(3)圓柱直徑小于一定值,低頻段輻射噪聲下降,但會(huì)出現(xiàn)沖擊純音噪聲現(xiàn)象,在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮這一問題。

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(編輯 武曉英)