基于WCNS格式的大涡模拟方法研究及其在气动声学中的应用

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以流动噪声为代表的湍流多尺度问题研究正进入大涡模拟阶段,通常涉及到复杂工程外形和高雷诺数,要求算法兼具高分辨率和高效率。本文以七阶紧致格式为基础,以机体气动噪声及降噪模拟研究需求为导向,紧扣高精度大涡模拟算法和先进混合模型,结合声比拟理论建立了一套适用于亚/跨声速气动噪声问题的预测方法。本文首先对高精度隐式大涡模拟方法开展研究。结合经典显式亚格子模型,对比研究了隐式大涡模拟的模拟能力。研究结果表明格式的高精度与高分辨率特性对湍动能的保持起关键作用,而亚格子模型只提供基于模型假设的湍动能耗散速率。基于七阶紧致格式的隐式大涡模拟表现最好,且具备普适性更强的优势。然后,基于高精度大涡模拟方法,结合先进的湍流模型,发展了基于湍流量混合的RANS/LES模型。通过数值模拟研究了混合模型中几个关键因素的影响,包括RANS模型、LES模型和过渡函数。分析表明了HRILES模型等效于以RANS模型充当显式亚格子模型的大涡模拟方法。同时,结合代数转捩模型与混合RANS/LES模型构造了新的代数转捩混合模型(at HRLES),并阐明了壁面约束的过渡函数的重要意义。采用DES类方法开展了对比模拟研究,证明了at HRLES相对基于DES类模型的转捩预测方法的优势。在此基础上,结合声比拟理论发展了CFD+CAA混合类型的气动噪声预测方法。通过简化声源的理论解考察了远场噪声积分的正确性,针对声波传播问题,对比研究了不同精度格式的模拟能力。对单圆柱辐射噪声、湍流尾迹与翼型壁面干扰噪声问题进行了模拟,得到了与实验相符的结果,研究了数值方法和声源信息的选择对噪声结果的影响。最终将混合CFD+CAA预测方法应用到机体噪声问题研究之中。在高速流动噪声问题方面,对开放式空腔流动噪声进行网格无关性研究。通过数值模拟对比了不同类型空腔流动噪声结果,研究了锯齿壁面对空腔噪声的抑制效果。在低速流动噪声方面,针对高升力翼型和起落架噪声问题进一步确认了复杂流动条件下预测算法的高效率优势,分析了翼型尾缘形状对流动特征以及气动噪声结果的影响,为降噪研究提供了基础。
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