论文摘要
气动声学是研究流体自身以及流体与固体边界相互作用而发声的一门科学,是空气动力学和声学的交叉分支。随着公众对环境噪声污染认识的增强,降低环境噪声污染特别是飞行器噪声污染十分重要,因此,研究气动声学的基本原理和气动声学的数值计算方法对保护环境具有重要的意义。本文研究目的是研究气动声学的发声机理,推导气动声学相似准则,得到气动声学相关公式,并通过简单模型的气动噪声数值模拟来验证它们是正确合理的。本文最后数值模拟直升机悬停旋翼的气动噪声,为直升机降噪研究打下一定的基础。由于噪声计算首先需要提供近场声学积分控制面的流场信息,所以本文首先采用基于Euler方程的有限体积法计算悬停旋翼流场,然后运用基于求解FW-H方程的时域法计算远场气动噪声。本文的主要工作如下:（1）.数值计算直升机悬停旋翼流场。对于悬停旋翼,在桨叶固连的旋转坐标系下,旋翼流场可认为是定常的,这在很大程度上简化了计算复杂度,所以本文选取在桨叶固连的旋转坐标系下求解Euler方程计算悬停旋翼流场。悬停旋翼的流场由于具有对称性,只需要对一片桨叶进行计算。为方便后面声场的计算和对称边界条件的实施,选用重叠网格。空间上采用中心格式的有限体积法,时间上采用五步Runge—kutta求解流场控制方程。为了提高收敛速度,采用当地时间步长、残值光顺的加速收敛措施。并对NACA0012翼型的旋翼的几种不同状态进行数值模拟,计算结果和试验值取得较好的一致性。（2）.气动声学基本理论的研究分析。FW-H方程是气动声学的基本方程,是将流体力学N-S方程按非齐次波动方程的形式重新整理而成,可用来精确描述任意运动固体边界与流体相互作用的发声问题,具有很重要的理论研究价值和应用价值,本文用两种不同的方法详细推导这一方程,并给出方程的物理涵义。根据气动声学的基本方程,运用无量纲化理论,将FW-H方程无量纲化,得到气动声学风洞试验中所遵循的主要相似参数,并初步分析这些参数在风洞试验中的作用。FW-H方程是一个非齐次方程,可以运用自由空间的格林函数求解这一方程,本文从格林函数出发,运用积分变换和导数转换,推导气动声学方程的解,得到厚度噪声和载荷噪声的气动声学积分公式。本文还通过计算方形柱体和圆柱的气动噪声,成功验证本文所用的推导方法正确合理,计算结果表明圆柱体的噪声强度与距离成反比,与马赫数的5次方成比例。（3）.悬停旋翼气动噪声的数值计算。本文根据已推导的气动声学积分公式,构造相应的时间离散格式,采用高斯积分公式计算悬停旋翼的气动噪声。计算结果和国外试验结果取得比较好的一致性,表明本文所采用的计算直升机悬停旋翼的气动噪声所采用的数值计算方法能够成功计算直升机厚度噪声和载荷噪声,适合于预测直升机旋翼气动噪声。