中低雷诺数层流翼型纯音气动噪声数值研究

发布时间：2020-08-09 04:53

【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。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V211.41;TK83
【图文】：

分布图,雷诺数,飞行器,分布图

第 1 章绪论背景与意义的空气动力学设计中，往往以高速、大型飞行器为研究对雷诺数往往大于610[1]。随着微型飞行器（Micro Air Vehicl行器以及风力机等的广泛应用，中低雷诺数（通常是410 的问题在许多军用和民用飞行的工程应用中受到广泛的关注发动机的压气机、涡轮叶片、电子产品冷却风扇、螺旋桨通常也处于中低雷诺数的状态下，如图 1.1 所示。在这种状的增强将会造成翼型表面的摩擦阻力增大，这对高升阻比起到不利的影响。因此，对中低雷诺数下翼型边界层流动高翼型气动特性具有很大的帮助。

频谱,纯音,下翼,雷诺数

图 1.2 中低雷诺数下翼型纯音噪声的典型频谱噪声，在一定范围的雷诺数内出现，并且在翼型吸力面及压力泡。纯音噪声的出现会与层流边界层分离泡相互作用产生复杂声突然增加很多，而很多工业领域中的设备，比如小型无人飞片以及冷却风扇等，其运行条件的雷诺数在纯音噪声产生的雷对纯音噪声生成机理、影响因素和声场条件等进行研究，能够声提供理论依据。而且对于提高低雷诺数下飞行器的稳定操纵使用寿命和提高翼型的利用效率及相关机械设备低噪声设计等重要的参考价值。外研究状况来，随着小型风力发电机与微小型飞行器等的迅猛发展，低雷分离的理论研究逐渐成为研究热点。大量的学者及研究人员对

模式图,噪声辐射,下翼,指向性

图 1.3 中低雷诺数下翼型绕流结构及心形噪声辐射指向性模式图研究现状on[16]于 1973 年在一种消音环境中进行的孤立翼型的研究通针对纯音噪音现象进行的实验研究，在研究中发现剪切层会导致翼型表面产生不稳定的载荷及噪音。Paterson 根据计算，提出了离散噪音频率nf 和主音调中心频率sf 的经验公1.50.5f0 .011U/(Cv)s 速度，C 是弦长，v 是空气的动态粘度。Paterson 的另外一梯形结构的存在，是由于频率对流速的依赖，随着速度的。aterson 的实验结果，Tam[17]于 1974 年推导出了离散噪音频

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