Моделирование спектра шума при обтекании системы тел

МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРА ШУМА ПРИ ОБТЕКАНИИ СИСТЕМЫ ТЕЛ

ЦИЛИНДР-ПРОФИЛЬ КРЫЛА

М. В. Крапошин, И. Н. Сибгатуллин, С. В. Стрижак

НИЦ КИ, НИИ Механики МГУ, г. Москва, Россия, МГТУ им. Н. Э. Баумана

Снижение шума в авиации и на транспорте является актуальной задачей. Для определения и оценки уровня шума необходимо проводить эксперименты в безэховых камерах и математическое моделирование. Один из подходов в численном моделировании связан с гибридным методом, который включает в себя расчет вихревых нестационарных турбулентных течений газа на базе LES, акустические аналогии для расчета акустических полей в дальнем поле и быстрое преобразование Фурье для получения спектра шума. Одной из модельных задач в вычислительной аэроакустике является расчет обтекания тела в форме цилиндр-профиль крыла NACA0012. При обтекании таких систем возникают вихревые нестационарные турбулентные течения газа. Они являются источниками возмущений, распространяющихся в окружающей среде и создающих акустическое давление. Для данного примера существуют как результаты эксперимента, так и тестовые расчеты. Использование осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замкнутых при помощи полуэмпирических моделей турбулентности, оказывается неэффективным при моделировании течений с нестационарными крупномасштабными вихревыми структурами. Для моделирования течения целесообразно использовать модель крупных вихрей и расчет крупномасштабных вихревых структур за телом при помощи интегрирования фильтрованных уравнений Навье-Стокса. Мелкие вихри, размер которых не превышает шага расчетной сетки, моделируются с помощью дифференциального уравнения для подсеточной кинетической энергии. Для дискретизации уравнений используется метод конечных объемов. Расчеты проведены с использованием модифицированных библиотек OpenFoam и нестационарного решателя pisoFoam. На входе расчетной области на средние значения накладываются случайные возмущения в виде белого шума. На стенке задаются условия непротекания и используются пристеночные функции. На выходе задаются условия продолжения потока или неотражающие граничные условия. Для расчета акустического давления и спектра шума SPL используется разработанная библиотека libAcoustics с акустической аналогией Керла. Для учета трехмерных эффектов в акустическую аналогии введена дополнительная поправка для расчета значений SPL. Для получения значений в частной области используется быстрое преобразование Фурье. Размеры расчетной области выбираются равными (-0.44; -0.56; 0) и (1.24; 0.56; 0.8) метра относительно положения центра цилиндра. Количество ячеек 1.34 и 2.6 млн. Расчеты проводились для значений с=0.1 м, d=0.01 м, V=72 м/с, ρ=1.2 кг/м3, μ=1.5*10(-5). Полученные значение числа Cтрухаля St=0.2 и интенсивности шума SPL были близки к экспериментальным значениям. Целесообразно расширить возможности разработанной ранее библиотеки libAcoustics и добавить акустическую аналогию Ффокса-Уилльямса-Хокингса (FW-H) для расчета SPL в дальнем поле. Расчеты проводились в лаборатории UniHUB (www. unihub. ru) и на суперкомпьютере Ломноносов.