非结构化网格FVM在流体动力声学计算中的应用研究

论文摘要

流体动力噪声是日常生活中和自然界最常见的噪声源之一,经常存在于民生、航空、航海以及工业应用中,认识、预测并最终控制流体动力噪声的工作显得越来越重要,并且引起学术界和航空、航海以及工业应用部门的日益重视。流体动力噪声数值模拟的关键技术包括流体动力噪声的计算方法、时空离散格式以及无反射边界等。本文主要研究适用于低速流流体动力噪声计算的数值模拟软件,研究声传播、远场声学特性以及流体动力噪声的产生机理和传播过程。为了验证采用计算流体力学方法研究流体动力噪声问题的可行性,编制了用于静态介质中声传播模拟程序。采用有限体积法离散声学方程,时间项采用二阶欧拉隐式格式,对流项采用TVD-SUPERBEE格式,扩散项采用中心差分,由SIMPLE算法求解声压-质点振动速度耦合。通过用户自定义声传播介质,可将其应用于任意静态介质中声传播问题。针对流体动力噪声计算应用最广的FW-H方程,了解FW-H方程的详细推导过程,分析FW-H方程的适用范围,且提出了内部面近似法处理可穿透声源积分面,相比商业软件的interior边界法,克服了选用不同声源积分面需重新划分网格的较大工作量,同时避免了流场信息在声源积分面上采用插值引起的误差。针对低速流流体动力噪声问题,通过对可压流场量分解成不可压流场量和声扰动量,得到声扰动方程,并以中间矢量变换声扰动方程,使其和N-S方程具有相同形式,采用基于非结构化网格有限体积法求解声扰动方程,详细讨论声扰动方程的对流项和源项处理方法,并将SIMPLE算法扩展到声扰动方程求解中。针对计算域相比物理区域要小得多且计算边界不能影响域内模拟结果问题,采用精度较高的辐射无反射边界和完美匹配层吸收边界处理声学无反射边界问题。采用时间隐式、有限体积法离散辐射无反射边界方程,统一求解边界和内部单元方程组。从声扰动方程出发,推导出完美匹配层声学方程以及变换系数,将计算域分解成声扰动和完美匹配层两个区域,在两区域交界面上实现耦合求解。详细归纳基于非结构化网格有限体积法的计算流体动力声学软件的需求分析、设计理念以及程序实现过程,并将其应用于多维物面绕流的流体动力噪声计算,实现流声分解法和FW-H方法匹配求解,可同时得到近场和远场声学特性,避免二次计算。通过对比,表明所开发软件可应用于低速流流体动力噪声的过程仿真和声学性能分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 非结构化网格FVM
• 1.2.2 流体动力声学计算方法
• 1.2.3 空间和时间离散
• 1.2.4 无反射边界条件
• 1.2.5 计算流体动力声学的应用
• 1.3 课题研究意义和目的
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 基于SIMPLE算法的静态介质中声传播数值模拟
• 2.1 概述
• 2.2 静态介质中的声学方程
• 2.3 离散格式
• 2.3.1 时间项离散
• 2.3.2 对流项离散
• 2.3.3 扩散项离散
• 2.3.4 声扰动动量方程离散
• 2.4 边界条件
• 2.5 数值解法
• 2.5.1 SIMPLE算法
• 2.5.2 动量预测
• 2.5.3 压力修正
• 2.5.4 动量修正
• 2.5.5 程序设计
• 2.6 线性方程组解法
• 2.6.1 ILUCG共轭梯度法
• 2.6.2 聚合型代数多重网格法
• 2.7 静态介质中声传播算例验证
• 2.7.1 静态空气中平面波传播
• 2.7.2 静态水中平面波传播
• 2.7.3 静态空气中柱面波传播
• 2.7.4 非均匀介质中的声传播
• 2.8 本章小结
• 第3章 流体动力噪声远场积分计算方法研究
• 3.1 概述
• 3.2 控制方程
• 3.3 控制方程求解
• 3.3.1 格林函数解
• 3.3.2 厚度噪声
• 3.3.3 负荷噪声
• 3.3.4 四极子噪声
• 3.4 数值解法
• 3.4.1 非结构化网格CFD流场求解
• 3.4.2 声源积分面处理
• 3.4.3 声源积分面信息存储与延迟时间
• 3.4.4 厚度和负荷噪声积分
• 3.5 算例验证
• 3.5.1 静态介质中单极子声源
• 3.5.2 偶极子声源
• 3.5.3 四极子声源
• 3.6 本章小结
• 第4章 低速流流体动力噪声数值模拟研究
• 4.1 概述
• 4.2 控制方程
• 4.3 数值解法
• 4.3.1 不可压流场求解SIMPLE算法
• 4.3.2 扩展到声场求解的SIMPLE算法
• 4.3.3 求解步骤
• 4.4 数值离散处理
• 4.4.1 对流项处理
• 4.4.2 源项处理
• 4.5 初始条件和边界条件
• 4.6 算例验证
• 4.6.1 平面波多普勒效应
• 4.6.2 柱面波多普勒效应
• 4.6.3 空气中圆柱层流绕流噪声
• 4.6.4 水中圆柱层流绕流噪声
• 4.6.5 空气中圆柱湍流绕流噪声
• 4.7 本章小结
• 第5章 有限体积格式的声学无反射边界条件研究
• 5.1 概述
• 5.2 有限体积格式Tam-DRP无反射边界
• 5.2.1 边界方程
• 5.2.2 有限体积离散
• 5.2.3 程序设计
• 5.3 有限体积格式PML边界
• 5.3.1 PML边界实施步骤
• 5.3.2 变换系数推导
• 5.3.3 PML无反射边界方程推导
• 5.3.4 PML边界方程处理方法
• 5.4 无反射边界测试
• 5.4.1 平面波传播
• 5.4.2 柱面波传播
• 5.4.3 流体动力噪声
• 5.5 本章小结
• 第6章 计算流体动力声学软件开发与应用
• 6.1 概述
• 6.2 计算流体动力声学软件开发
• 6.2.1 软件的需求分析
• 6.2.2 软件设计
• 6.2.3 软件程序实现
• 6.3 MTFSM模块
• 6.4 软件应用研究
• 6.4.1 剪切流中声传播
• 6.4.2 四极子噪声
• 6.4.3 二维翼型NACA0012绕流
• 6.4.4 二维阀门噪声
• 6.4.5 三维圆柱绕流
• 6.5 本章小结
• 结论
• 创新工作
• 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录