航空噪声模拟案例课件

1、FFT-,ACTRAN在航空工业的应用,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 DGM,Free 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 (Ac

2、tran/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。,Locations,Some Aerospace Customers,The ACTRAN software suite,ACTRAN VI,ACTRAN Acoustics,声学仿真工具 典型应用 管道中声传播

3、 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 VibroAcoustics ACTRAN AeroAcoustics ACTRAN TM,消声器,环控系统,齿轮箱声辐射,ACTRAN 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,ACT

4、RAN 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,ACTRAN 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: Airbus, Rolls-Royce, SNECMA, General Electric, MTU, Honeywell, Liebherr, Turbomeca, Aermacchi, ., Aer

5、macchi, 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,Complex Exhaust Flow,Acoustic field, TURNEX Project,ACTRAN 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 everywhere,Supe

6、rlement coupling,From BIW to trimmed body,ACTRAN 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ACTRAN分析模型 结果后处理显示功能,Model creation and validation,Advanced post-processing,FRF Display Tool,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 DGM,ACTRAN VibroAcoustics

7、for Aircraft,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, 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: 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(

8、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,Application Review,介绍,ACTRAN Vibro-Acou

9、stic 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,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,5.4 m,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),铝蒙皮, 观察窗和内部空间

10、:,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:,Mean 1/3 octave,加强筋 & 框效应,铝蒙皮, 观察窗, 加强筋, 框和空腔:,Mean 1/3 octave,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,Mean 1/3 octave,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:,Mean 1/3 octave,计算统计,计算统计: 自由度: 153,861 频率范围: 10Hz 1500Hz, 100个频率 内存: 2

11、GB 时间: 2.5 小时 ( 1.5 分钟/频率) 电脑: Intel Xeon 5160, Linux 系统,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 Department Jean-Pierre Coyette Free Field Technologies Noisecon 2008,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,A

12、CTRAN vs. 解析方法软件,Paper “An enhanced modal approach for random vibro-acoustics”, ISMA Conference 2008,实验验证,Delta NR ：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,Presented by Airbus & FFT at NoiseCon 2008,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

13、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,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 DGM,ACTRAN TM,Key Features,A380 短舱 声压云图 mode (8,3),A

14、CTRAN 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,Acoustic lining,Modal Coupling,nacelleproblem,bypa

15、ss ductproblem,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:,CFD Flow (HDF format),FFT/CFD codes interface,Flow interpolated on the “Actran” mesh (HDF format),声源建模 管道模态,声源利用一系列的管道模态方式表

16、述(Tyler&Sofrin theory) 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),Radial order = 1 Azimuthal order =0,Radial order = 1 Azimuthal order = 4,Radial order = 2 Azimuthal order =4,Radial order = 2 Azimuthal order =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

17、性能(as per the Myers-Eversman formulation),With Liner and flow,Without Liner, with flow,ACTRAN TM,Some Public validations/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,ICSV 2005 ” Fan Noise Radiation from Intake: Comparisons Between FEM Prediction and Fan Rig Test Measur

18、ements with Flare” S.Lidoine & 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 2004-702,仿真分析规则,ICSV 2005 ” Fan Noise Radiation from Intake: Comparisons Between FEM Prediction and

19、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,风扇后部噪声控制,AIAA 2007-3527: “Aft fan noise reduction with a lined afterbody”- B.J. Tester & L. De Mercato 文献介绍风扇后部使用声衬进行噪声控制，实

20、验值与ACTRAN计算结果比较。,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,唇口声衬拼接影响,AIAA 2008-2979 “Evaluation of Lip Liner Benefits” F.Gantie & M.Clewley,拼接影响,These papers ex

21、plain the interest of using ACTRAN complementary to analytical tools AIAA 2004-2906 “Validation of an Analytical Model for Scattering by Intake Liner Splices” - B.J.Tester, N.J.Baker & A.J.Kempton AIAA 2006-2456 “Far-field directivity of rotor-alone tones radiated from fan intakes with spliced liner

22、s for different intake shapes, with flow” - B.J. Tester & L. De Mercato AIAA Journal 2006 AIAA Journal 2006 0001-1452 vol.44 no.9 ”Scattering of 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

23、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,Application Review,介绍,Auxiliary Power Unit （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

24、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Linux 64 位电脑，计算所有管道模态的时间是1h45 min,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

25、，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,Real Part of the Pressure at 200Hz Mode (0,0) Admittance 3,APU 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,声压级云图,No admittance,Admittance 1,Admittance 3,Admittance 4,动画 Mode (0,0),Admittance 4,No admittance,内容,Free Field T

26、echnologies 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 DGM,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/DGM MESSIAEN : LEE code on a DGM scheme, time domain TURNEX : validation of Actran/DGM on analytic

27、and real models,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,A typical 3D setup,3D effect on the far field directivity,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 : “Performance of a DGM scheme for LEE & Applications to aircraft engine exhaust noise” , R. Leneveu, B. Schilt

28、z, 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,宽带噪声计算,AIAA_2009 -3292: “Broadband Turbo machinery Noise: Exhaust Noise Computations 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:

29、近似解，无需更多计算资源,Flight Approach Fan Broadband Noise kr 20,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. 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,Numerical Kelvin Helmholtz instabilities,Numerical Kelvin Helmholtz instabilities,3D 效应 非轴对称,AIAA_2009 : “Exhaust noise prediction of realistic 3D lined turbofans submit