Публикации
Аэроакустика
Одной из самых больших проблем, стоящих сегодня перед аэрокосмической промышленностью, является снижение аэрошумов, создаваемых летательными аппаратами. Поскольку вызываемый потоком шум значительно влияет на общую мощность самолета, важно понять, как оптимизировать конструкцию летательного аппарата, чтобы минимизировать вызываемый потоком шум без ущерба для общей производительности воздушно-транспортного средства.
Описание задач
Источники потокового шума разнообразны. Как правило, в самолетах гражданской авиации ими являются устройства повышения подъемной силы (механизации крыла), шасси, сопла, а также устройства регулирования микроклимата (климат-контроль) внутри салона и кабины экипажа. В военно-воздушных транспортных средствах шум может возникать из-за неустойчивости конструкции или аэродинамической неустойчивости бортовой системы оружия и отсека вооружения.
В статье описываются две задачи: расчет аэродинамического шума передней стойки шасси и аэроакустический анализ устройства охлаждения авионики в кабине аэробуса.
Задача №1
Аэроакустика передней стойки шасси
Maritime Research Associates, LLC (MRA) - компания, расположенная в г. Анн-Арбор, штат Мичиган, США, занимающаяся разработкой и строительством морских судов.
Для точного захвата потока в пограничном слое вокруг крыла была создана сетка с призматическими слоями, состоящая из шестигранных ячеек:
Модель передней стойки шасси Gulgstream G550 с частично выдвигающейся створкой шасси в масштабе 1:4
Равномерные кубические ячейки в области вокруг элементов передней стойки шасси: 0.75 мм(слева), 3.0 мм (в центре), 6.0 мм (справа
Оценка сетки предельной частоты
Коэффициент среднего статического давления на колесе
Средняя кинетическая энергия двумерной турбулентности – расчет STAR-CCM+ (вверху) и результаты PIV (слева)
Задача рассматривалась на авиакосмической конференции, организованной Американским институтом аэронавтики и астронавтики (AIAA) в Стокгольме, Швеция, 10-11 июня 2010 года. Использовалась упрощенная геометрия передней стойки шасси Gulgstream G550 с частично выдвигающейся створкой шасси. Испытание модели в масштабе 1:4 проводилось в акустическом туннеле NASA-BART и в Университете Флориды.
Вычислительная модель описывала все детали конструкции и позволила смоделировать все эффекты, вплоть до моделирования ламинарного под-слоя (номинально y+ ‹1). Сетка состояла из усеченных шестигранных ячеек с экструдированными призмами в направлении перпендикулярном к стенке. Общее количество ячеек – 39 миллионов. Для области вокруг передней стойки шасси и колеса использовались равномерные кубические ячейки размером 0.75 мм.
Кроме того, было выполнено укрупнение расчетной сетки. В области основного потока размер ячеек двух крупных сеток, запущенных последовательно, был увеличен с 0.75 мм (мелкая сетка) до 1.00 мм (средняя сетка с 22 млн. ячейками) и 1.25 мм (крупная секта, 13 млн. ячеек) соответственно.
Первоначальный стационарный расчет выполнялся с целью выявить области, в которых необходимо измельчить сетку, а также рассчитать сетку предельной частоты, чтобы подобрать размер ячеек. Используемая сетка была способна хорошо описать частоты до 5кГц около элементов шасси.
Результаты нестационарного расчета сжимаемых течений, полученные с помощью метода DES и опции «без отражения» на границах входа и выхода, помогли точно предсказать поля основного и пульсирующего потока.
Общее время вычислений 0.25-секундного расчета на мелкой сетке заняло примерно 16000 CPU-часов на современной платформе Linux 3.0ГГц. Это соответствует около 5 дням на 128 CPUs. Кроме того, для грубой сетки с 13 млн. ячейками уходит около 2-х дней.
Коэффициент статического давления правобортового колеса в нестационарном расчете
Спектры давления в месте расположения нижне-люкового микрофона
Средняя компонента скорости потока – расчет STAR-CCM+ (слева) и результаты PIV (справа)
Завихренность по оси z - расчет STAR-CCM+ (слева) и результаты PIV (справа)
Задача №2
Снижение шума в устройстве охлаждения авионики в кабине аэробуса
Для снижения шума в стенде охлаждения авионики использовался метод гашения турбулентности (turbulence synthesization). Электроника размещалась на полках, которые активно охлаждались воздуховодами, оканчивающимися парубками, которые питаются от системы кондиционирования.
Для изменения первоначальной конструкции полости и полки для ограничения потока использовался метод Debatin. Затем полученные модификации оценивались с точки зрения шумового снижения путем проведения расчетов CFD и сравнения их результатов с измеренными данными. Для расчета поля нестационарного потока использовалась модель отделенного вихря (DES – Detached Eddy Simulation). Микрофоны помещались в произвольное место ограничивающей полости и полки.
Было установлено, что измененная конструкция полости значительно уменьшает объем рециркуляции потока, и, следовательно, механизмы генерации сдвигового шума. В результате уровень шума снизился во всем диапазоне слухового спектра человека. Моделирование DES позволило точно спрогнозировать уровень снижения шума (около 3дБ в диапазоне 300-10,000 Гц), а также уровень шума в низкочастотном диапазоне.
Турбулентность потока, проходящего через полку, оказалась сильно сниженной: 2-5 дБ - уровни шума в диапазоне 100-10,000 Гц. Расчёты уровней снижения шума показали хорошие результаты для всего диапазона.
Общий размер модели составляет примерно 1.5 млн. ячеек. Стационарные и нестационарные расчеты (DES) были выполнены за 3 месяца с использованием компьютерных ресурсов, максимум до 8 CPUs.
Заключение
Тесно сотрудничая с предприятиями транспортной индустрии, CD-adapco предоставляет точные решения и проверенные инструменты расчета аэроакустических эффектов на начальном этапе проектирования.
В статье были кратко описаны только две аэроакустические задачи из множества других возможных применений STAR-CCM+ в аэрокосмической промышленности. Были получены точные результаты, которые наглядно продемонстрировали, что с помощью STAR-CCM+ можно достичь более глубокого понимания акустических явлений при одновременном снижении вычислительных ресурсов и времени в процессе CAE.
Коэффициент среднего статического давления правобортового колеса Спектры давления в месте расположения нижне-люкового микрофона
Акустическое давление (Па) на уровне уха летчика для трех различных материалов
Снижение шума за счет изменения конструкции камеры (вертикальная градуировка соответствует 2 дБ)
Снижение шума за счет изменения конструкции полки (вертикальная градуировка соответствует 1 дБ)
