航空噪声模拟案例ppt课件

FFT-海基盛元,ACTRAN在航空工业的应用,内容,FreeFieldTechnologies与ACTRAN软件介绍飞机内部声学问题飞机外部声学问题ACTRANTMACTRANDGM,FreeFieldTechnologies,1998，由Dr.Jean-PierreCoyette、Dr.Jean-LouisMigeot创立总部在比利时布鲁塞尔，法国图卢兹、日本东京设有分部1999-2001，雷诺,标志,菲亚特,通用汽车,空中客车,壳牌石油,德国Lloyd船级社等十一家大型企业，共同资助FFT开发ACTRAN软件专业的声学仿真工具:振动声学(Actran/VibroAcoustics,ActranforNastran)流动声学(Actran/TM,Actran/DGM,Actran/AeroAcoustics)前后处理器(Actran/VI)服务:培训,技术交流,工程咨询,特别开发科研:FFT参加众多科研项目，从风机噪声、螺旋桨噪声、轮胎噪声、航空发动机噪声到高性能计算以及产品的声学设计等。,Locations,SomeAerospaceCustomers,TheACTRANsoftwaresuite,ACTRANVI,ACTRANAcoustics,声学仿真工具典型应用管道中声传播声波遇到障碍物的衍射振动结构的声辐射作为其他ACTRAN高级模块的基础ACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTM,消声器,环控系统,齿轮箱声辐射,ACTRANVibroAcoustics,振动声学仿真工具丰富的有限单元与材料库:声学有限元与无限元粘弹性梁单元、壳单元与实体单元复合材料单元，允许考虑预应力作用(新)多孔与多孔弹性单元压电材料单元，支持换能器、声纳与主动控制模拟(新)真实的激励方式:声学，运动学与动态激励湍流边界层扩散声场高性能求解器与并行处理,扬声器,侧窗声传递,壳体辐射噪声,ACTRANAeroAcoustics,宽带流致噪声仿真工具(湍流噪声)特性支持大多数的CFD软件Lighthill声类比：针对低马赫数、均质流Morhing声类比：针对高马赫数、非均质流提供积分插值法,风扇噪声,空调管道,与实验结果比较,ACTRANTM,唯一模拟飞机发动机以及其他涡轮机械噪声的工具特性:以管道模态方式定义声学激励非均质背景流下声音的传播精确模拟声衬客户:Airbus,Rolls-Royce,SNECMA,GeneralElectric,MTU,Honeywell,Liebherr,Turbomeca,Aermacchi,.,Aermacchi,Airbus,Airbus,ACTRAN/DGM,目标：求解涡轮发动机的排气噪声特性线性欧拉方程(LEE)时域求解非结构化网格可以导入常见CFD软件计算得到的平均流结果,ComplexExhaustFlow,Acousticfield,TURNEXProject,ACTRANforNASTRAN,从白车身到添加内饰材料整车模型的声学仿真工具与Nastran完全兼容应用于分阶段的研发进程满足计算精确性要求的同时，极大地提高求解速度客户:Ford,Nissan,MMC,Rieter,.,Trimiseverywhere,Superlementcoupling,FromBIWtotrimmedbody,ACTRANVI,ACTRAN各模块的前后处理器验证与修改其他工具创建的ACTRAN模型利用其他CAE工具创建的网格，建立ACTRAN分析模型结果后处理显示功能,Modelcreationandvalidation,Advancedpost-processing,FRFDisplayTool,内容,FreeFieldTechnologies与ACTRAN软件介绍飞机内部声学问题飞机外部声学问题ACTRANTMACTRANDGM,ACTRANVibroAcousticsforAircraft,飞机内部振动声学问题,飞机噪声主要声源,客舱内部噪声级,起飞与降落阶段发动机噪声,发动机关闭后，APU噪声,Actran,theAppropriateSoftwarefor,气动声学:发动机噪声级指向性进气道/风扇噪声:Actran/TM尾喷/外涵道噪声:Actran/TM与Actran/DGM声衬效果:Actran/TM或Actran/DGM振动声学:机身壁板/驾驶舱性能传递损失计算TLTL,发动机激励(结构传递&空气传递)TL,湍流边界层激励(TBL)机身壁板改进气动/振动-声学:辅助设备噪声(环控系统&APU),机身壁板的声学性能,ACTRAN具备模拟多层结构的阻尼、声吸收以及传递损失的功能:粘弹性,多孔泡沫材料(Biot模型)&加强筋流体-结构耦合(一个模型内包含结构与流体)快速频响Krylov求解器,机身壁板&驾驶舱声透射,Actran有限元模型可以考虑:真实的形状&结构非均质效应变厚度的结构多层结构的观察窗玻璃棉(Biot模型)框&加强筋地板附加质量激励类型效应扩散声场湍流边界层(Corcos)发动机结构传递激励,案例:机身壁板声学分析,ApplicationReview,介绍,ACTRANVibro-Acoustic模块被飞机制造商广泛使用工程师能够利用ACTRAN研究驾驶舱、机身壁板的声学性能,etc.ACTRAN仿真分析与实验进行比较该案例介绍使用ACTRANVibro-Acoustics计算机身壁板的声学性能计算中只考虑一段机身壁板,铝蒙皮+碳纤维地板:客舱是对称性的半空间模型+对称边界条件网格要求=捕捉到弯曲效应(与弯曲波长相关),模拟结构动态性能,5.4m,声波传递入舱内-1,铝蒙皮,观察窗和内部空间:蒙皮与观察窗外部施加湍流边界层激励(CorcosModel)声波透过机身蒙皮传递入舱内计算降噪指数(NR),铝蒙皮,观察窗和内部空间:,声学结果降噪指数,NR薄膜效应（刚度）控制区,NR模态控制区,NR质量定律控制区,窄带,复合材料vs.铝,复合材料vs铝蒙皮:,Mean1/3octave,加强筋&框效应,铝蒙皮,观察窗,加强筋,框和空腔:,Mean1/3octave,地板效应,铝蒙皮,观察窗,加强筋,框,地板和空腔:,地板导致的声场不连续性,Mean1/3octave,绝热隔声层效应,铝蒙皮,观察窗,加强筋,框,地板,玻璃棉和空腔:,Mean1/3octave,计算统计,计算统计:自由度:153,861频率范围:10Hz1500Hz,100个频率内存:2GB时间:2.5小时(1.5分钟/频率)电脑:IntelXeon5160,Linux系统,案例:飞机结构的隔声量：气动(Corcosmodel)与声学激励,PascaleNepleandBrunoCampolina,AirbusInteriorNoiseDepartmentJean-PierreCoyetteFreeFieldTechnologiesNoisecon2008,实验装置,圆柱形壳体，内部空间封闭预测加强筋的作用不同激励的影响解析方法软件(FFT开发,AIRBUS所有权,与ACTRAN交叉验证)vs.实验,ACTRANvs.解析方法软件,Paper“Anenhancedmodalapproachforrandomvibro-acoustics”,ISMAConference2008,实验验证,DeltaNR：加强筋效果,（3）仿真,湍流边界层激励,（1）实验,扩散声场激励,（2）仿真,扩散声场激励,ACTRAN可以提供实验室无法实现的湍流边界层激励！,案例:环控系统管道的声学设计,PresentedbyAirbus&FFTatNoiseCon2008,环控系统噪声,环控系统:重要的内部噪声源预测噪声源-ActranAeroAcoustics预测并且降低管道的被动声传播，优化管道形状,研究目标,声波在环控管道内传播，管壁使用复合材料；诸多因素影响管道的声学性能截面形状固定装置管壁的材料属性、厚度ACTRAN可以研究以上所有因素,结果1,能量守恒横截面形状的影响,偏心度最大的管道，其声衰减最多!,结果2,能量守恒固定装置的影响,管道固定位置越多,声衰减越大!,内容,FreeFieldTechnologies与ACTRAN软件介绍飞机内部声学问题飞机外部声学问题ACTRANTMACTRANDGM,ACTRANTM,KeyFeatures,A380短舱声压云图mode(8,3),ACTRANTM概括,风扇噪声是当代高涵道比发动机的主要噪声源模型设计阶段:价格昂贵&费时仿真工具必须具备的特性能够考虑非均质平均流效应声衬模拟管道模态计算性能ACTRANTM满足以上需求基于有限元与无限元方法激励以管道模态方式加载导纳边界条件，有流条件并行处理与高性能求解器可压缩流求解器,应用领域,可以研究两个问题:短舱进气道外涵道管道（TM只能研究外涵道,不能考虑尾喷与剪切层）在所有案例中，声源由一系列管道模态组成，代表风扇噪声与出口导流叶片噪声,Acousticlining,ModalCoupling,nacelleproblem,bypassductproblem,建模方法:短舱进气道实例,（1）这个模型中建立轴对称模型；（2）短舱后部不影响全局的声学指向性，因此建模中忽略该部分。,处理平均流,Actran/TM可以处理非均质平均流Actran可以计算可压缩势流支持利用CFD软件计算流场Actran/TM兼容Star-CD,Fluent等流体分析软件处理步骤:,CFDFlow(HDFformat),FFT/CFDcodesinterface,Flowinterpolatedonthe“Actran”mesh(HDFformat),声源建模管道模态,声源利用一系列的管道模态方式表述(Tyler&Sofrintheory)操作上:一系列旋转模态，给定径向与周向阶次选择BPF频率或其他频率处的振幅与相位反射模态设置为自由(无反射边界条件),Radialorder=1Azimuthalorder=0,Radialorder=1Azimuthalorder=4,Radialorder=2Azimuthalorder=4,Radialorder=2Azimuthalorder=4,远场:声无限元,两个作用:作为无反射边界条件获得计算域外的远场结果,声衬:导纳边界条件,ACTRAN/TM精确模拟掠射流动的声衬性能(aspertheMyers-Eversmanformulation),WithLinerandflow,WithoutLiner,withflow,ACTRANTM,SomePublicvalidations/applications,实例:短舱进气道,ACTRAN模型,虚拟传声器,声无限元,导纳,管道模态激励,声衬影响,平均流影响,进气道声辐射实验验证,ICSV2005”FanNoiseRadiationfromIntake:ComparisonsBetweenFEMPredictionandFanRigTestMeasurementswithFlare”S.Lidoine&B.CaruelleJT15D:Developmentandvalidationofaparallelout-of-corepropagationandradiationcodewithvalidationonaturbofanapplication,P.Ploumhansetal,ICA2004-702,仿真分析规则,ICSV2005”FanNoiseRadiationfromIntake:ComparisonsBetweenFEMPredictionandFanRigTestMeasurementswithFlare”S.Lidoine&B.Caruelle可以使用ACTRAN计算平均流或使用CFD软件计算(例如Fluent)不同背景流提取方法对结果的影响很小在ACTRAN分析中如何选择管道模态(对于叶片通过频率以及宽带噪声）FFT提供众多关于宽带噪声分析的文献以及培训材料,风扇后部噪声控制,AIAA2007-3527:“Aftfannoisereductionwithalinedafterbody”-B.J.Tester&L.DeMercato文献介绍风扇后部使用声衬进行噪声控制，实验值与ACTRAN计算结果比较。,短舱唇口形状效应,AIAA20012140:AcousticRadiationModellingOfAeroengineIntake.,S.Lidoine,H.Batard,S.Troyes,A.Delnevo(Airbus)andM.Roger(ECL)文献解释如何使用ACTRAN设计短舱唇口形状，并与其他解析方法计算结果对比,唇口声衬拼接影响,AIAA2008-2979“EvaluationofLipLinerBenefits”F.Gantie&M.Clewley,拼接影响,ThesepapersexplaintheinterestofusingACTRANcomplementarytoanalyticaltoolsAIAA2004-2906“ValidationofanAnalyticalModelforScatteringbyIntakeLinerSplices”-B.J.Tester,N.J.Baker&A.J.KemptonAIAA2006-2456“Far-fielddirectivityofrotor-alonetonesradiatedfromfanintakeswithsplicedlinersfordifferentintakeshapes,withflow”-B.J.Tester&L.DeMercatoAIAAJournal2006AIAAJournal20060001-1452vol.44no.9”ScatteringofSoundbyLinerSplices:aKirchhoffModelwithNumericalVerification.”-B.J.Tester,N.J.Baker,C.Powles&A.J.Kempton,从制造方面考虑,声衬往往采用拼接装配；拼接区域没有进行声学处理，导致阻抗不连续性，并形成新的管道模态,实例:APU声学特性分析,ApplicationReview,介绍,AuxiliaryPowerUnit（APU）为飞机在停机坪的停留提供动力APU噪声是飞机在停机坪上的主要噪声源APU制造商需要在APU进口与出口做声学处理，以降低噪声ACTRAN可以预测声学处理的效果,APU进口几何,研究分别在管道内与分隔板处，4个部位声学处理的效果。,机身壁板,声衬,分隔板,进气口,0.4m,0.2m,ACTRAN有限元模型,ACTRAN有限元模型包含4个组件声传播媒质模拟自由场传播，计算远场声学响应管道模态声学激励两个导纳边界条件模拟声学处理远场设置虚拟传声器，计算声学指向性网格划分时间1小时,无限元,管道模态,有限元,声衬,虚拟传声器,0,90,R=1m,分隔板,平均流,平均流计算,APU系统中温度恒定，平均流可以看作势流平均流可以使用ACTRAN内置可压缩流求解器计算计算时间40分钟,声学计算,模型包含1.1M自由度，支持的最高分析频率：2000Hz利用多载荷工况特性，使用Linux64位电脑，计算所有管道模态的时间是1h45min,200Hz声压实部Mode(1,1),声处理效果,传递损失(TL)等于:10*log(入射声能/辐射声能)ACTRAN自动计算“宽带”入射与辐射声能声衬效果越好，辐射声能越低，传递损失越大这个案例中，admittance4展现了最好的声学性能,声衬,RealPartofthePressureat200HzMode(0,0)Admittance3,APU指向性,指向性比较:admittance4展现最好的声衰减声处理对APU指向性特征影响较小由于进气口作用，APU主要向90方向辐射噪声,声压级云图,Noadmittance,Admittance1,Admittance3,Admittance4,动画Mode(0,0),Admittance4,Noadmittance,内容,FreeFieldTechnologies与ACTRAN软件介绍飞机内部声学问题飞机外部声学问题ACTRANTMACTRANDGM,ACTRAN/DGM,噪声在涡轮发动机尾喷管道内的传播,Context,涡轮发动机从外涵道和尾喷辐射出的噪声是飞机重要的噪声源排气问题能够利用有限元方法处理外涵道:旋流尾喷:厚剪切层和温度梯度结合欧盟的两个科研项目,FFT与工业伙伴开发出新的工具ACTRAN/DGMMESSIAEN:LEEcodeonaDGMscheme,timedomainTURNEX:validationofActran/DGMonanalyticandrealmodels,研究的问题与挑战,Actran/DGM:3D/Axi,支持3D与2D轴对称模型,3D网格,轴对称网格,Atypical3Dsetup,3Deffectonthefarfielddirectivity,实验验证,欧盟TURNEX项目验证:,静态方法8500Hz远场指向性与实验结果对比,AIAA_2008_2884:“PerformanceofaDGMschemeforLEE&Applicationstoaircraftengineexhaustnoise”,R.Leneveu,B.Schiltz,S.Laldjee,S.Caro,FFT,声传播的剪切流效应,FlightCutbackFannoisemode(26,1)kr40,剪切层导致的声散射,远场指向性产生变化,宽带噪声计算,AIAA_2009-3292:“BroadbandTurbomachineryNoise:ExhaustNoiseComputationswithActran”,J.Manera,R.Leneveu,J.Mardjono,Snecma-FFT宽带噪声代表被动频率辐射噪声目前航空工业使用模态方法多载荷特性:精确解，计算时间长随机载荷特性:近似解，无需更多计算资源,FlightApproachFanBroadbandNoisekr20,流体的复杂性,AIAA2008-2883:“Kelvin-HelmholtzInstabilitiesOccurringataNacelleExhaust”,B.Schiltz,J.Manera,R.Leneveu,S.Caro,J.Jacqmot,FFT剪切流是不稳定的物理现象非常复杂Kelvin-Helmholtz不稳定性与漩涡模式相关，本质上是三维问题,NumericalKelvinHelmholtzinstabilities,NumericalKelvinHelmholtzinstabilities,3D效应非轴对称,AIAA_2009:“Exhaustnoisepredictionofrealistic