航空噪声模拟案例苍松书屋

1、copyright free field technologiesfft-海基盛元actran在航空工业的应用2copyright free field technologies内容 free field technologies 与actran 软件介绍 飞机内部声学问题 飞机外部声学问题 actran tm actran dgm3copyright free field technologiesfree field technologies 1998，由dr. jean-pierre coyette、dr. jean-louis migeot创立 总部在比利时布鲁塞尔，法国图卢兹、日本东京

2、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/vibro acoustics, actran for nastran)流动声学 (actran/tm, actran/dgm, actran/aero acoustics)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。4copyright

3、free field technologieslocations5copyright free field technologiessome aerospace customers6copyright free field technologiesthe actran software suiteactran vibro-acousticsactran aero-acousticsactran tmactran acousticsactran dgmactran viactran for nastran7copyright free field technologiesactran acous

4、tics 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actran vibroacousticsactran aeroacousticsactran tm消声器环控系统齿轮箱声辐射8copyright free field technologiesactran vibroacoustics 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

5、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9copyright free field technologiesactran aeroacoustics 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10copyright free field technologiesactran tm 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: a

6、irbus, rolls-royce, snecma, general electric, mtu, honeywell, liebherr, turbomeca, aermacchi, . aermacchi airbus airbus11copyright free field technologiesactran/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complex exhaust flowacoustic field turnex project12copyright free fiel

7、d technologiesactran for nastran 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, .trim is everywheresuperlement couplingfrom biw to trimmed body13copyright free field technologiesactran vi 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a

8、ctran分析模型 结果后处理显示功能model creation and validationadvanced post-processingfrf display tool14copyright free field technologies内容 free field technologies 与actran 软件介绍 飞机内部声学问题 飞机外部声学问题 actran tm actran dgmcopyright free field technologiesactran vibroacoustics for aircraft 飞机内部振动声学问题16copyright free fiel

9、d technologies飞机噪声 主要声源客舱内部噪声级外部噪声源内部噪声源环控系统控制系统其它系统(液压, 电力 系统, 等等)湍流边界层发动机空气传递结构传递观察窗结构内部噪声辐射噪声起飞与降落阶段发动机噪声发动机关闭后，apu噪声17copyright free field technologiesactran, the appropriate software for 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:

10、机身壁板/驾驶舱性能 传递损失计算tl tl, 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)18copyright free field technologies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stiffenersaluminumairlayer 1layer 2layer 319copyr

11、ight free field technologies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stiffenersaluminumairlayer 1layer 2layer 3copyright free field technologies案例: 机身壁板声学分析application review21copyright free field techn

12、ologies介绍 actran vibro-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actran vibro-acoustics计算机身壁板的声学性能 计算中只考虑一段机身壁板22copyright free field technologies 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thick shell elementsthin shell elementsactr

13、an 特性actran 支持厚壳单元与薄壳单元5.4 m23copyright free field technologies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 (corcos model) 声波透过机身蒙皮传递入舱内 计算降噪指数 (nr)various fluid elementsactran 特性支持不同流体网格: tria, penta, hexa, pyraincompatible meshactran 特性结构可以很容易的与流体耦合,通过匹配网格或非匹配actran 特性随机声载荷: 包含扩散声场激励与湍流边界层激励24copyr

14、ight free field technologies 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25copyright free field technologies复合材料 vs. 铝 复合材料vs 铝蒙皮:复合材料actran特性支持复合材料mean 1/3 octave26copyright free field technologies加强筋 & 框效应 铝蒙皮, 观察窗, 加强筋, 框和空腔:框加强筋actran 特性支持加强筋结构框加强筋mean 1/3 octave27copyright free

15、 field technologies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结构阻尼通过杨氏模量的虚部定义actran 特性支持结构与声空间基于频率的阻尼特性声传播媒质阻尼通过声速的虚部定义mean 1/3 octave28copyright free field technologies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:玻璃棉多孔材料actran 特性支持多孔材料mean 1/3 octave29copyright free field technologies计算统计 计算统计: 自由度: 153,861 频率范围:

16、 10hz 1500hz, 100个频率 内存: 2 gb 时间: 2.5 小时 ( 1.5 分钟/频率) 电脑: intel xeon 5160, linux 系统actran 特性支持并行计算，支持不同系统actran 特性非常低的内存需求，非常快的求解速度。始终在进步！copyright free field technologies案例: 飞机结构的隔声量：气动(corcos model)与声学激励pascale neple and bruno campolina ,airbus interior noise departmentjean-pierre coyette free fie

17、ld technologiesnoisecon 200831copyright free field technologies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 24 t-shape stringers equally spaced radius r length l=3.7r cylinder thickness h stringers cross section a stringers 0.4 skin cross section a skin - width fl

18、ow directionrflow directionr32copyright free field technologiesactran vs. 解析方法软件 paper “an enhanced modal approach for random vibro-acoustics”, isma conference 200833copyright free field technologies实验验证 delta nr ：加强筋效果-20-15-10-505101520100100010000f (hz)delta nr (db)fr=1800 hzfcaero=3000 hz(1)(3)(

19、2)（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！copyright free field technologies案例:环控系统管道的声学设计presented by airbus & fft at noisecon 200835copyright free field technologies环控系统噪声 环控系统: 重要的内部噪声源 预测噪声源- actran aeroacoustics 预测并且降低管道的被动声传播，优化管道形状36copyright free field technolog

20、ies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37copyright free field technologies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 !38copyright free field technologies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!39copyright free field technologies内容 free field technologies 与actran 软件介绍 飞机内部声学

21、问题 飞机外部声学问题actran tmactran dgmcopyright free field technologiesactran tmkey features41copyright free field technologiesa380 短舱 声压云图 mode (8,3)actran tm 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 actran tm 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

22、器42copyright free field technologies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acoustic liningmodal couplingnacelleproblembypass ductproblem43copyright free field technologies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。44copyright free field t

23、echnologies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:cfd flow (hdf format)fft/cfd codes interfaceflow interpolated on the “actran” mesh (hdf format)45copyright free field technologies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&sofrin theory) 操作上: 一系列

24、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)radial order = 1azimuthal order =0radial order = 1azimuthal order = 4radial order = 2azimuthal order =4radial order = 2azimuthal order =446copyright free field technologies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 1 2 3 4302106024090270120300150330180

25、0nacelle radiation, flow, no liner - 500hz, mode (3,0)directivity diagram 47copyright free field technologies声衬: 导纳边界条件 actran/tm 精确模拟掠射流动的声衬性能(as per the myers-eversman formulation)admittance influencewith liner and flowwithout liner, with flowcopyright free field technologiesactran tmsome public v

26、alidations/applications49copyright free field technologies实例: 短舱进气道使用actran计算平均流actran 模型虚拟传声器声无限元导纳 管道模态激励结果声衬影响平均流影响50copyright free field technologies进气道声辐射实验验证 icsv 2005 ” fan noise radiation from intake: comparisons between fem prediction and fan rig test measurements with flare” s.lidoine &

27、; b.caruelle jt15d : development and validation of a parallel out-of-core propagation and radiation code with validation on a turbofan application, p.ploumhans et al, ica 2004-70251copyright free field technologies仿真分析规则 icsv 2005 ” fan noise radiation from intake: comparisons between fem prediction

28、 and fan rig test measurements with flare” 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52copyright free field technologies风扇后部噪声控制 aiaa 2007-3527: “aft fan noise reduction with a lined afterbody”- b.j. t

29、ester & l. de mercato 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。53copyright free field technologies短舱唇口形状效应 aiaa 20012140: acoustic radiation modelling of aeroengine intake ., s.lidoine, h.batard, s.troyes, a.delnevo (airbus) and m.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54copyright free fiel

30、d technologies唇口声衬拼接影响 aiaa 2008-2979 “evaluation of lip liner benefits” f.gantie & m.clewley55copyright free field technologies拼接影响 these papers explain the interest of using actran complementary to analytical toolsaiaa 2004-2906 “validation of an analytical model for scattering by intake liner

31、 splices” - b.j.tester, n.j.baker & a.j.kemptonaiaa 2006-2456 “far-field directivity of rotor-alone tones radiated from fan intakes with spliced liners for different intake shapes, with flow” - b.j. tester & l. de mercatoaiaa journal 2006 aiaa journal 2006 0001-1452 vol.44 no.9 ”scattering o

32、f sound by liner splices: a kirchhoff model with numerical verification.” - 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copyright free field technologies实例: apu声学特性分析application review57copyright free field technologies介绍 auxiliary power unit （

33、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58copyright free field technologiesapu 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0.4m0.2m59copyright free field technologiesactran 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

34、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090r=1m分隔板60copyright free field technologies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61copyright free field technologies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linux 64 位电脑，计算所有管道模态的时间是1h45 min200hz声压实部 mode (1,1)62copyright free field techn

35、ologies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， admittance 4展现了最好的声学性能声衬63copyright free field technologiesreal part of the pressure at 200hz mode (0,0) admittance 3apu 指向性 指向性比较: admittance 4 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64copyright fre

36、e field technologies声压级云图no admittanceadmittance 1admittance 3admittance 465copyright free field technologies动画 mode (0,0)admittance 4no admittance66copyright free field technologies内容 free field technologies 与actran 软件介绍 飞机内部声学问题 飞机外部声学问题actran tmactran dgmcopyright free field technologiesactran/dg

37、m噪声在涡轮发动机尾喷管道内的传播68copyright free field technologiescontext 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/dgm messiaen : lee code on a dgm scheme, time domain turnex : validation of actran/dgm on analytic and real models69copyright free field te

38、chnologies研究的问题与挑战声衬远场声辐射管道模态高kr值温度梯度厚剪切层复杂流场70copyright free field technologiesactran/dgm : 3d/axi 支持3d与2d轴对称模型3d 网格轴对称网格71copyright free field technologiesa typical 3d setup 3d effect on the far field directivity72copyright free field technologies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 73cop

39、yright free field technologies aiaa_2008_2884 : “performance of a dgm scheme for lee & applications to aircraft engine exhaust noise” , r. leneveu, b. schiltz, s. laldjee , s. caro, fft声传播的剪切流效应flight cutback fan noise mode (26,1) kr 40剪切层导致的声散射远场指向性产生变化74copyright free field technologies宽带噪声计算a

40、iaa_2009 -3292: “broadband turbo machinery noise: exhaust noise computations “broadband turbo machinery noise: exhaust noise computations with actran”with actran”, 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flight approach fan broadband noise kr 205 db75copyright free field technologies流体的复杂性 aiaa 2008-2883 : “kelvin-helmholtz instabilities occurring at a nacelle exhaust”, b. schiltz, j. manera, r. leneveu, s. caro, j.