КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 21-71-30016
НазваниеРазработка и валидация математических моделей и вычислительных алгоритмов в аэроакустике
РуководительКопьев Виктор Феликсович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского", Московская обл
Период выполнения при поддержке РНФ | 2021 г. - 2024 г. |
Конкурс№53 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-309 - Турбулентность и гидродинамическая устойчивость
Ключевые словаАэрокустика, математические модели аэроакустических процессов, шум турбулентной струи, шум взаимодействия струи и крыла, дифракция и экранирование шума, звукопоглощающие конструкции в каналах двигателя, акустические нагрузки и шум в салоне и кабине ЛА, шум вертолетных и самолетных винтов, валидация методов расчета шума, цифровые двойники
Код ГРНТИ87.01.21; 29.27.21; 29.37.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Разработка надежных методов моделирования шума самолета и его элементов представляет собой крайне актуальную задачу. В этих методах остро нуждается авиационная промышленность, поскольку разрабатываемые самолеты обязаны удовлетворять постоянно ужесточающимся международным нормам по шуму.
Вместе с тем, дальнейшее снижение авиационного шума требует от разработчиков решения исключительно сложных проблем, находящихся на переднем крае фундаментальной науки и связанных в большой степени со сложностью описания звукоизлучающей части турбулентности. Это делает столь привлекательной идею численного моделирования основных эффектов, таких как генерация шума струей и различными элементами двигателя (включая самолетные и вертолетные винты), численное моделирование дифракционных задач отражения и экранирования, моделирование прохождения шума от турбулентных пульсаций в кабину или салон, моделирование шума взаимодействия струи с элементами планера. Решение этих задач позволяет в том числе поставить задачу численного моделирования аэроакустики летательного аппарата в целом, которое позволило бы напрямую оценивать шум самолета в трех контрольных точках на местности и сравнивать шум самолета с требованиями ИКАО.
Таким образом, на сегодняшний день главной и принципиальной задачей аэроакустики является построение адекватных математических моделей отдельных явлений, составляющих проблему шума летательных аппаратов. Другой не менее важной задачей является численное моделирование выделенных частей общей проблемы, часто позволяющее получать принципиально новые результаты, относящиеся к пониманию механизмов излучения звука. Именно поэтому в аэроакустике особую важность приобретает понятие «цифровых двойников», позволяющих численно описывать поведение модели далеко за пределами исходного математического/асимптотического моделирования.
Однако, для успеха этих усилий имеется серьезное препятствие. По сравнению с классической аэродинамикой, численное моделирование аэроaкустических задач отличается дополнительной степенью сложности, которая заключается в большом разбросе характерных маcштабов, возникающих в задачах, связанных с генерацией и переносом звука. Поэтому для успешного продвижения этих подходов необходима тщательная валидация полученных численных решений и определение диапазона параметров, в которых данная численная модель адекватно описывает соответствующее явление. Таким образом, возникает комплексная задача, состоящая вообще говоря, из трех обязательных составляющих: (i) построение математической модели и ее аналитическое/асимптотическое решение; (ii) построение численной модели и нахождение ее решение; (iii) валидация полученного численного решения. При этом валидация является неотъемлемым элементом независимо от того, используются ли стандартные промышленные пакеты программ расчета или новые собственные программы, разрабатываемые для решения тех или иных задач. Учитывая огромное значение, которое имеет в настоящий момент и в перспективе цифровизация различных подходов в современной инженерной науке, проблема валидации разработанных программ или промышленных кодов применительно к задачам аэроакустики приобретает особо важное значение и актуальность.
В проекте рассматриваются основные задачи аэроакустики, которые на протяжении ряда лет исследуются в лаборатории Аэроакустики ЦАГИ (далее Лаборатория), на базе которой будет реализовываться проект: это шум турбулентных струй, шум взаимодействия струи и крыла, дифракция шума аэроакустических источников на элементах планера самолета, шум обтекания элементов планера (шасси и крыло), аэроакустические нагрузки и прохождение звуковых и псевдозвуковых возмущений от турбулентного пограничного слоя через панель фюзеляжа в салон, проблема распространения звука в каналах двигателя и оптимизации звукопоглощающих конструкций, шум вертолетного и самолетного винтов. Эти задачи объединены единой направленностью и близкими механизмами, отвечающими за аэродинмическую генерацию звука турбулентными потоками. Научная новизна проекта заключается в том, что для каждого направления будет проанализирован существующий или развиваемый математический подход к задаче, дан анализ имеющегося численного инструментария, включающий разработку или доработку используемых численных методов, и проведена исчерпывающая валидация численных подходов, включая полуэмпирические методы. Помимо постановки уникальных экспериментов с использованием экспериментальной базы Лаборатории (заглушенная камера АК-2 ЦАГИ, отнесенная в реестре министерства науки к уникальным научным установкам России, УНУ), для валидации будут использованы данные акустического летного эксперимента, а также имеющиеся в Лаборатории данные крупномасштабных экспериментов, отражающие богатый опыт сотрудников по участию в совместных с зарубежными и отечественными партнерами измерениях шума, создаваемого различными элементами самолета, на самых известных крупномасштабных акустических установках мира (заглушенные камеры DNW NWB и DNW LLF, CARDC FL-17, NTF QinetiQ, DLR AWB, открытый двигательный стенд АО ОДК «Авиадвигатель» ОС-5, открытый вертолетный стенд «Камов»).
В результате выполнения проекта будут развиты новые численные инструменты, и проведена их оценка, а также оценка существующих инструментов (включая коммерческие коды), с точки зрения эффективности предсказания шума на местности и в салоне самолета по всем указанным выше направлениям. Результаты работы покажут в том числе, насколько далеко проблема создания «акустического цифрового двойника» самолета или его элементов находится от своего реального достижения. Полученные результаты будут востребованы отечественными КБ, разрабатывающими авиационную технику, в работе которых большое значение имеют вопросы снижения шума.
Ожидаемые результаты
Проект направлен на разработку новых моделей источников аэродинамического шума, создание соответствующих им вычислительных алгоритмов и валидацию разработанных вычислительных методов.
В рамках такого подхода в проекте рассмотрены восемь направлений аэроакустики, связанных с решением отдельных проблем, относящихся к летательному аппарату в целом. Эти направления находятся на разных уровнях разработки вычислительных алгоритмов, поэтому они рассматриваются в проекте по-отдельности с тем, чтобы с одной стороны проследить универсальность такого подхода, с другой стороны там, где могут появиться работающие валидированные программы, постараться довести их до инженерного уровня, с целью использования в промышленности.
1. Струя
Главным результатом работы по исследованию шума струй будет разработка теоретических моделей и численных кодов для расчета звукового излучения турбулентных струйных течений и их валидация на основе экспериментальных измерений акустических и гидродинамических характеристик турбулентных струй. С этой целью будут проведены следующие теоретические и экспериментальные работы:
- комплекс теоретических работ, направленных на анализ механизма генерации звука мелкомасштабными турбулентными пульсациями в струйных течениях;
- создание базы данных спектральных и корреляционных характеристик ближнего и дальнего акустического поля дозвуковых струй в широком диапазоне скоростей для отдельных азимутальных гармоник;
- разработка и валидация робастной низкоуровневой модели источников шума, способной предсказывать корреляционные характеристики звукового излучения струи, необходимые для расчета шума взаимодействия струи с элементами планера и эффекта экранирования;
- получение экспериментальных данных для анализа турбулентного течения в струе с целью отделения неизлучающих пульсаций от пульсаций, ответственных за излучение звука;
- валидация собственного численного кода на основе измерений спектральных и корреляционных характеристик звукового излучения струи в ближнем и дальнем поле, а также измерений характеристик турбулентных пульсаций в струе.
В исследовании источников шума турбулентных струй будут существенно использованы результаты работ по проекту РНФ-17-11-01271 «Теоретическое и экспериментальное исследование развития возмущений в ядрах локализованных вихрей». Эти работы находятся на переднем крае исследований в области аэродинамической генерации шума и структуры излучающей турбулентности струйных течений. Практическая значимость исследований связана с созданием методов снижения шума струй и летательных аппаратов в целом. Численный метод для оценки нагрузок от реактивной струи на элементы крыла самолета на базе схемы КАБАРЕ уже используется в работах Лаборатории с конструкторскими бюро (ПАО «Иркут», АО «ГСС»)
2. Шум взаимодействия струи и крыла
Будет валидирован собственный метод численного моделирования типа LES (на базе схемы КАБАРЕ) применительно к шуму взаимодействия струи и крыла самолета, в том числе, на реалистичных геометриях (стреловидное крыло, двухконтурное сопло, щелевой закрылок).
С помощью валидированного метода будет определена детальная структура пульсаций ближнего поля струи в широком диапазоне параметров истечения, на основании которой будет создана уточненная версия полуэмпирической модели шума взаимодействия, пригодная для оценки шума взаимодействия реалистичных конфигураций «крыло-двигатель».
Будут проверены на модельных конфигурациях в маломасштабном эксперименте и с помощью численного моделирования новые пассивные методы снижения шума взаимодействия струи и крыла самолета.
Перечисленные выше задачи являются высокоприоритетными, имеют научное и практическое значение, поскольку создадут базу для применения разработанных валидированных методов при проектировании реальных объектов в рамках целевых работ с производителями авиационной техники. Предполагаемые результаты будут соответствовать мировому уровню, а в части задач – превосходить его.
У авторов имеется уникальный задел в полученных ранее результатах. В настоящее время численный метод на базе схемы КАБАРЕ уже используется в работах Лаборатории с конструкторскими бюро. Детальная валидация метода позволит перейти к практическим расчетам шума взаимодействия струи и крыла, что представляет значительный интерес для промышленности и особенно актуально для двигателей большой степени двухконтурности, расположенных близко крылу самолета. Новые результаты будут опубликованы в виде статей в ведущих научных журналах.
3. Дифракция
Основным результатом этого направления является разработка и верификация метода расчета распространения и дифракции звука при наличии воздушного потока с целью оценки эффективности экранирования шума авиационных силовых установок на местности. Для достижения этой цели будут проведены следующие работы:
- Разработка расчётного метода и его верификация на задачах, допускающих точное решение;
- Обобщение и валидация разработанного расчётного метода на случай экранов неканонической геометрии;
- Обобщение и валидация разработанного расчётного метода на случай аэродинамических источников шума.
Данные расчетно-экспериментальные исследования находятся на переднем крае работ, посвящённых проблеме снижения шума самолета на местности, поскольку рассматриваемая задача является существенно многопараметрической и опирается на результаты исследований по генерации шума различными аэродинамическими источниками, такими как: шум струи, шум винта, шум вентилятора. Эти работы особенно актуальны в связи с созданием новых концепций самолетов типа «летающее крыло».
Некоторые результаты этого направления уже использовались в Лаборатории при определении облика самолёта нового поколения, а также при исследовании влияния роли эффекта экранирования на снижение шума на местности для самолёта Бе-200.
4. Шум обтекания
В результате работы по предлагаемому проекту будут разработаны и провалидированы математические модели Лаборатории для предсказания шума реалистичных (как с точки зрения геометрии, так и с точки зрения числа Рейнольдса) конфигураций шасси и механизации крыла. Как следствие, разработанные математические модели смогут использоваться в авиационной промышленности РФ для оценки и предсказания шума обтекания элементов планера.
В настоящий момент, существует несколько известных авторам полуэмпирических моделей оценки шума элементов планера (модели Fink, Guo и AIRBUS), входящих в стандартные промышленные пакеты, которые используются в различных КБ авиационного профиля. Эти методы требуют подробной валидации, поскольку диапазон параметров и геометрий применимости этих методов неизвестен. Кроме того, активно разрабатываются различными коллективами новые подходы к расчету шума обтекания на основе методов вычислительной аэроакустики (CAA), применимость которых может быть оценена в Лаборатории с помощью разработанной в проекте подробной процедуры валидации.
Разработанные собственные математические модели могут быть обобщены на другие источники транспортного шума, такие как боковые зеркала автомобилей или пантографы высокоскоростных поездов, приводя к разработке методов снижения шума также и этих источников, тем самым обеспечивая дальнейшее уменьшение вредного шумового воздействия транспорта на население.
5. ЗПК
В результате работы по проекту в Лаборатории будут разработаны новые математические модели распространения звука в каналах различной геометрии с учетом неоднородности потока и модели излучения звука из открытых концов каналов в дальнее поле. В последние два года были разработаны аналитические и численные модели для учета влияния трехмерной неоднородности потока на процесс распространения звука в прямоугольном канале, которые будут развиваться в настоящем проекте для каналов с другими формами сечений. Математические модели будут построены для каналов с круговым, кольцевым и подковообразным (случай наружного канала авиадвигателя с пилоном) сечениями, что позволит разработать новые принципы оптимизации ЗПК для каналов перспективных двигателей. Валидация этих математических моделей будет выполняться в модельных экспериментах на установках Лаборатории.
Учет неоднородности потока на распространение звука в каналах при наличии импедансных граничных условий является актуальной научной задачей, областью применения которой является снижение шума авиадвигателей. Повышение степени подробности моделирования процесса распространения звука в каналах двигателей будет способствовать повышению эффективности разрабатываемых ЗПК, что, в свою очередь, позволит дополнительно снизить шум самолетов на местности. К настоящему времени в Лаборатории создан значительный научно-технический задел в области исследований процесса распространения звука в каналах с потоком и разработки ЗПК для отечественной авиационной техники (разработка ЗПК для Ту-154, Ил-96-300, Ту-204/214, МС-21 и др).
6. Шум в салоне
Экспериментально будут проведены измерения пространственно-временной структуры поля на обтекаемой поверхности и построены полуэмпирические модели неоднородных полей пульсаций давления в окрестности трехмерных геометрических конфигураций, а также при учете трехмерного набегающего потока. Эти исследования необходимы для разработки новых и уточнения имеющихся в Лаборатории расчетных методик шума в салоне и кабине самолета.
Будут проведены испытания на звукоизоляцию в условиях акустических камер АК-11 применительно к задаче колебаний и акустического излучения упругих конструкции в условиях тестовых акустических и аэродинамических полей. Это позволит напрямую выполнить расчеты с использованием имеющихся коммерческих программных продуктов и провести их валидацию. Результаты валидации имеющихся популярных промышленных кодов будут востребованы разработчиками авиационной техники при решении об использовании того или иного программного продукта в задачах снижения шума в салонах и кабинах самолета.
Результаты расчетов по разработанным ранее в Лаборатории методикам оценки шума в салоне летательных аппаратов, в том числе от неоднородных полей пульсаций давления, являются основой при оптимизации бортовой конструкции в конструкторских подразделениях российских самолетостроительных фирм (ПАО «Иркут», АО ГСС и другие). Выбор оптимального состава бортовой конструкции на основе проведения испытаний в звукомерных камерах Лаборатории является в настоящее время необходимым звеном при проектировании.
7. Вертолеты
В результате работы по проекту в Лаборатории будет создан комплекс программ и алгоритмов, который может быть реализован на современных компьютерах (в том числе с графоплатами) для цифрового сопровождения процесса разработки лопастей перспективного вертолета с точки зрения снижения его шума. На данный комплекс программ могут быть получены свидетельства о РИД и он может передаваться третьим лицам (в частности, индустриальному Партнеру) для проведения оценок аэродинамического шума лопастей разрабатываемых образцов авиационной техники с учетом различной формы законцовок.
В работе планируется разработка эффективных физически обоснованных методов расчета основных составляющих тонального шума несущего винта скоростного вертолета, включая импульсно-волновой шум, как наиболее проблематичный для численного моделирования, и методов расчета тонального шума рулевого винта. Результаты работы будут использованы Партнером – «Национальным Центром Вертолетостроения имени М. Л. Миля и Н. И. Камова» при проектировании малошумных конфигураций несущей системы вновь создаваемых вертолетов и разработке технологий снижения шума имеющегося вертолетного парка. Полуэмпирическая модель шума вертолетов одновинтовой и сосной схем, созданная в Лаборатории в 80-х годах прошлого века, долгое время использовалась отечественными вертолетными КБ при расчетной оценке ожидаемых акустических уровней при сертификации по шуму на местности, и к настоящему времени требует существенного развития.
Помимо программного комплекса будет создана уникальная экспериментальная база данных по аэродинамике и шуму разных лопастей на режиме висения и в полете (работы Партнера), что позволит вертолетным КБ осуществлять оценку различных решений, предлагаемых различными вычислительными коллективами, не имеющими выхода на эксперимент.
8. Самолетные винты
Будет разработана математическая модель и реализующая ее программа для расчета шума изолированных и биротативных винтов на основе линейной теории. Сравнение модели с результатами высокоточных методов позволит установить диапазон применимости упрощенных подходов расчета шума винта, позволяющих избежать громоздких интегральных методов, основанных на подходах ФВ-Х. Такие методы, и диапазон их применения будут востребованы авиастроительными КБ, занимающимися созданием винтовых самолетов (Ил-112, Ил-114 и др.).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект направлен на разработку новых моделей источников аэродинамического шума, создание соответствующих им вычислительных алгоритмов и валидацию разработанных вычислительных методов. В рамках такого подхода в проекте рассмотрены восемь направлений аэроакустики, связанных с решением отдельных проблем, относящихся к летательному аппарату в целом. Эти направления объединены близкими механизмами, отвечающими за аэродинмическую генерацию звука турбулентными потоками. Для каждого направления проводится анализ существующего или развиваемого математического подхода к задаче и имеющегося численного инструментария, включая разработку или доработку используемых численных методов. Проводится исчерпывающая валидация численных подходов, включая полуэмпирические методы.
1. Струя
Создана база данных спектральных и корреляционных характеристик ближнего и дальнего акустического поля дозвуковых струй в широком диапазоне скоростей (числа Маха 0.35 ≤ M ≤ 0.83). Нужно отметить, что впервые измерения азимутальных компонент шума струи выполнены при помощи двух многомикрофонных подвижных азимутальных решеток ближнего и дальнего акустического поля. Синхронные акустические измерения азимутальных мод в ближнем и дальнем поле позволят в дальнейшем провести более «тонкую» настройку модели источников шума в струе.
Проведено исследование механизма генерации шума в струе на основе анализа сделанных ранее экспериментальных измерений звукового поля струи с использованием одной решетки микрофонов и метода азимутального разложения, позволяющего получить статистические характеристики для отдельных азимутальных гармоник звукового излучения.
Богатая база экспериментальных данных дала возможность получить ряд новых данных, углубляющих представления о пространственной структуре поля звуковых источников. В частности, было получено подтверждение гипотезы о квадрупольном характере излучения, до сих пор оспариваемой рядом авторитетных исследователей. Также в ходе работы впервые была сформулирована и подтверждена гипотеза о локальной изотропности мелкомасштабных источников звука в струе. Этот важный вывод означает возможность переноса результатов и представлений классической теории турбулентности на турбулентные струйные течения.
В ходе работы была рассмотрена известная проблема сдвигового шума, которая касается низкочастотной части спектра звукового излучения. Несмотря на долгую историю вопроса, до сих пор нет понимания, отражает ли этот эффект реальную физику процесса или является следствием некорректного разделения процессов генерации и распространения звуковых волн в акустических аналогиях. Анализ экспериментальных данных, полученных методом азимутального разложения, позволил в настоящей работе сделать вывод об отсутствии сдвиговой компоненты шума в турбулентной струе.
На базе проведенного исследования построена эмпирическая модель звукового излучения струи в дальнем поле. Проведена валидация модели на экспериментальных данных в широком диапазоне скоростей струи от 100 до 280 м/с. Хорошее совпадение предсказаний модели с экспериментальными данными для трех основных азимутальных гармоник свидетельствует о том, что модель правильно учитывает основные факторы, определяющие дальнее звуковое поле турбулентной струи
2. Шум взаимодействия струи и крыла
Для двухконтурной струи впервые получены спектральные карты ближнего и дальнего полей и построены карты когерентности для суммарного акустического поля и его отдельных азимутальных компонент. Получены спектры пульсаций давления в дальнем поле для изолированной и на поверхности крыла для установленной струи. Были проведены измерения среднего поля скорости струи методом PIV. Для каждого режима истечения получены карты распределения продольной и радиальной компонент скорости в плоскости симметрии как для свободной струи, так и для струи вблизи крыла.
Методом LES на основе схемы КАБАРЕ проведено численное моделирование шума изолированной двухконтурной струи. Расчетные сетки строилась в среде OpenFoam с использованием процедуры SnappyHexMesh. Расчеты выполнялись на рабочей станции с графическими процессорами. В процессе расчета сохранялись данные в ближнем поле струи, а также выполнялся расчет шума в дальнем поле с помощью интегрального метода Фокса Вильямса-Хоукингса. В результате получены характеристики среднего течения, характеристики пульсаций скорости и давления в слоях смешения струи, характеристики пульсаций давления в акустическом поле струи, включая их модовый состав.
Проведена валидация выполненного расчета. Показано, что на расчетной сетке умеренного объема (~40 млн. ячеек) корректно воспроизводятся не только спектры суммарного сигнала, но и спектры доминирующих азимутальных гармоник звукового поля (с точностью ~3 дБ в диапазоне чисел Струхаля St=0.08-1.0). Причем спектры моделируются для всех углов наблюдения, т.е. в расчете правильно воспроизводится и направленность азимутальных мод, имеющая (для каждой моды) нетривиальную форму. При этом расчет позволяет расширить диапазон углов наблюдения (по сравнению с экспериментом) и получить более полное представление о направленности каждой гармоники, что будет полезно при создании полуэмпирических моделей шума двухконтурных струй.
3. Дифракция
На основе формулировки Бубнова-Галёркина был построен Метод Конечных Элементов (МКЭ) для решения уравнения Гельмгольца в двумерной и трехмерной задачах дифракции звука на бесконечно полуплоскости. Для создания конечно-элементной сетки разработана программа построения сеток, использующая для создания сетки изопараметрические линейные и квадратичные двумерные и трехмерные конечные элементы. Эта программа адаптирована для решения верификационных задач дифракции звука, излучаемого точечными источниками, на бесконечной полуплоскости. В качестве источников звука рассматриваются точечные монопольный, дипольный и квадрупольный источники заданной мощности. В качестве граничных условий на поверхности экрана могут задаваться акустически абсолютно жёсткие или акустически абсолютно мягкие граничные условия, а на бесконечности задаются не отражающие граничные условия.
Для задачи дифракции звука на бесконечно полуплоскости на основе методов Геометрической Теории Дифракции (ГТД) была проведена верификация разработанного Метода Конечных Элементов для точечных монопольного, дипольного и квадрупольного источников при различных частотах и взаимных расстояниях от экрана до источника.
4. Шум обтекания
Выполнен обзор литературы по шуму шасси и методам его моделирования, включающий 110 публикаций в журналах из списка WoS / Scopus. На его основе проведен анализ полноты имеющихся надежных экспериментальных или вычислительных данных в различных диапазонах числа Рейнольдса и геометрических параметров модели. Определены области в пространстве параметров «число Рейнольдса – геометрические параметры модели – характеристики шума обтекания», для которых имеются надежные экспериментальные и/или вычислительные данные применительно к шасси самолета. Выполнено сравнение акустических характеристик крупномасштабных и маломасштабных моделей шасси с одинаковой геометрией и показано хорошее соответствие результатов пересчета на большой масштаб с результатами эксперимента.
Проведен анализ существующих моделей низкого порядка для шума шасси и определены их области применимости. Сформулирован подход к созданию новой модели для оценки шума шасси, который будет реализовываться на следующем этапе проекта.
5. ЗПК
Показано, что собственные решения уравнения Придмора-Брауна, описывающего распространение звука в однородном канале с произвольным поперечным сечением при наличии пограничного слоя в плоскопараллельном потоке и обыкновенного импедансного граничного условия на облицованных стенках, при стремлении толщины пограничного слоя к нулю переходят в собственные решения конвективного уравнения Гельмгольца с однородным потоком и граничным условием Ингарда-Майерса на стенках канала. Построены равномерно пригодные сингулярные асимптотические решения задачи на собственные значения (продольные волновые числа звуковых мод) для уравнения Придмора-Брауна для случаев цилиндрического и кольцевого каналов.
На основе линеаризованного уравнения Эйлера, записанного в цилиндрической системе координат, с помощью процедуры Бубнова-Галёркина построен Метод Конечных Элементов для решения задачи распространения звука в канале с круговым или кольцевым сечением при наличии плоскопараллельного неоднородного потока с произвольным профилем скорости. Разработана программа построения 2-мерных сеток, обеспечивающая построение равномерной конечно-элементной сетки из линейный 4-х узловых или квадратичных 8-ми узловых конечных элементов. В качестве граничных условий на верхней и нижней стенках канала могут задаваться импедансные и акустически абсолютно жёсткие граничные условия, а во входном и выходном сечениях канала задаются распределения давления, соответствующие распространяющимся звуковым модам. Проведены сравнительные расчеты, показавшие согласие между численным и асимптотическими подходами.
6. Шум в салоне
Проведены экспериментальные исследования по определению пространственно-временной структуры полей пульсаций давления в окрестности выступов. Показано, что перед выступом наблюдается двумерное поле пульсаций давления вплоть до границ геометрической неоднородности. Демонстрируется существование дополнительной зоны рециркуляции в окрестности стыка прямой и боковой кромок (переднего ребра). Поле за обратным уступом характеризуется двумерным характером на большей части ширины выступа, отклонение от двумерного характера поля наблюдается только на расстояниях порядка 2 высот выступа от границ геометрической неоднородности. В этой зоне наблюдается постепенное снижение интенсивности пульсаций давления примерно на 5-7 дБ. Получены особенности корреляционных соотношений поля пульсаций давления в окрестности переднего и заднего ребер.
Предложено уточнение эмпирической модели полей пульсаций давления на боковой границе конфигурации «прямой уступ - обратный уступ», что является основой для валидации численных методов расчета в окрестности трехмерных геометрических конфигураций, располагающихся на обтекаемой поверхности.
Были проведены специальные исследования по определению виброакустических характеристик типовой самолётной панели 1.5*1.5м, моделирующей бортовую конструкцию самолета и подкрепленной стандартным силовым набором – тремя шпангоутами и десятью стрингерами. Со свободно подвешенной панелью при ее точечном механическом возбуждении широкополосным сигналом было проведено два вида испытаний: определение частот, форм и коэффициентов диссипации собственных колебаний панели; определение излучаемой мощности и диаграмм направленности излучения на различных частотах. Полученный в результате проведения данной работы материал может быть непосредственно использован при валидации численных методов прогноза шума в салоне самолета.
7. Вертолеты
Создан эффективный численный метод для моделирования тональных компонент шума несущего винта вертолета для расчета влияния различных конструктивных параметров лопасти и режимов обтекания на шум несущего винта. Полная нелинейная задача, описываемая уравнениями Навье-Стокса, разбивается на задачу о нахождении нелинейного акустического источника и на линейную задачу расчета переноса звуковых возмущений. В реализации используется метод согласованной аппроксимации неинерциальных сил, позволяющий существенно повышать точность вычислений на грубых расчетных сетках вдали от центра вращения системы координат, причем метод применим для произвольного движения системы координат. Реализована газодинамическая модель, позволяющая учесть одну или все лопасти жесткого многолопастного винта для расчета звука дальнего поля. По сравнению с расчетом одиночной лопасти, которая является адекватной моделью в случае режима висения вертолета, в случае горизонтального полёта, многолопастная модель более полно отражает аэродинамическую нагрузку, индуцированную соседними лопастями на каждой из них. Разработана версия газодинамического кода для задач расчета ближней зоны винта вертолет на GPU, По сравнению с ЦПУ версией все вычисления теперь выполняются на графическом процессоре, что позволяет существенно ускорить расчеты. По сравнению с одноядерным решателем на ЦПУ, решатель GPU показывает ускорение в 80-100 раз, даже если использовать относительно стандартные GPU карты. Разработанный метод использован для расчета характерных распределений статического давления и числа Маха. Получено хорошее качественное совпадение между результатами новых расчетов и ранее полученными решениями с использованием других методик.
Проведен анализ акустических данных тональные характеристики шума двухлопастного винта, полученных из эксперимента на открытом стенде. Результаты акустических расчетов демонстрируют хорошее совпадение уровня первой гармоники для всех чисел Маха, что свидетельствует о достаточном уровне точности расчёта. Вторая и третья гармоники демонстрируют приемлемый уровень точности.
Проведено обобщение метода Кабаре для решения уравнений Навье-Стокса на движущихся сетках с плоской и цилиндрической поверхностью контакта подвижной и неподвижной зоны. Реализация нового метода выполнена в виде параллельного кода на движущихся многоблочных криволинейных сетках и верификация кода на серии тестов по сравнению с известными аналитическими решениями.
С помощью двумерной системы TR PIV проведено исследование мгновенных и средних полей скорости и завихренности в потоке, создаваемом маломасштабным (1:20) модельным винтом вертолета на режиме висения. Проведенные эксперименты показали возможность использования метода PIV для визуализации структуры (геометрических параметров, циркуляции и т.д.) концевого вихря, сходящего с лопасти винта. Эта возможность представляется особенно интересной как одно из средств проверки численных методов расчета аэродинамики и акустики винта.
8. Самолетные винты
Разработана математическая модель расчета шума изолированного воздушного винта, включающая в себя расчет распределения аэродинамических нагрузок по поверхности лопасти на основе импульсной теории элемента лопасти винта, модифицированной для обеспечения гарантированной сходимости решения при итерационном поиске распределения нагрузок по поверхности лопасти. На основе найденного распределения нагрузок определяется тональный шум винта в ближнем и/или дальнем акустическом поле с помощью метода Хансона.
В рамках первого этапа работы по проекту была выполнена программная реализация обеих составляющих (расчет аэродинамики и расчет акустики) и их сопряжение друг с другом.
Публикации
1. Копьев В.Ф., Зайцев М.Ю., Копьев В.А. High-speed PIV investigation of the flow created by the model rotor in hover mode Journal of Physics: Conference Series, №2127, 012009 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2127/1/012009
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на разработку новых моделей источников аэродинамического шума, создание соответствующих им вычислительных алгоритмов и валидацию разработанных вычислительных методов. В рамках такого подхода в проекте рассмотрены восемь направлений аэроакустики, связанных с решением отдельных проблем, относящихся к летательному аппарату в целом. Эти направления объединены близкими механизмами, отвечающими за аэродинмическую генерацию звука турбулентными потоками. Для каждого направления проводится анализ существующего или развиваемого математического подхода к задаче и имеющегося численного инструментария, включая разработку или доработку используемых численных методов. В результате будет проведена исчерпывающая валидация численных подходов, включая полуэмпирические методы.
1. Струя
Проведена валидация низкоуровневой модели звукового излучения турбулентной струи, разработанной на предыдущем этапе проекта. Для этого были использованы экспериментальные данные, полученные на предыдущем этапе с помощью измерений на 6-микрофонной решетке в ближнем поле, а также синхронных корреляционных измерений на паре 6-микрофонных решеток. Сравнение модели с результатами новых акустических измерений позволило расширить диапазон применимости модели звукового излучения турбулентной струи на область ближнего поля.
С помощью двумерной системы TR PIV проведено исследование мгновенных и средних полей скорости турбулентной струи истекающей из профилированного сопла со скоростями, соответствующими числам Маха 0.41 и 0.55. Эти данные представляют интерес как при разработке теоретических моделей источников, так и при тестировании результатов численного моделирования.
2. Шум взаимодействия
Методом LES на основе схемы КАБАРЕ проведено численное моделирование шума двухконтурной струи вблизи механизированного крыла. В процессе расчета выполнялся расчет шума в дальнем поле с помощью интегрального метода ФВХ. В результате получены характеристики среднего течения, характеристики пульсаций скорости и давления в слоях смешения струи и ее ближнем поле, а также характеристики пульсаций давления дальнем в акустическом поле.
Показано, что на расчетной сетке корректно воспроизводится эффект аэроакустического взаимодействия струи и близкорасположенного крыла. Разработана модель ближнего поля осесимметричной двухконтурной струи, позволяющая описывать затухание гидродинамических пульсаций, связанных с крупномасштабными структурами, распространяющимися в слое смешения. Анализ данных о конвективной скорости струи позволил предположить, что на начальном участке ближнее поле в основном определяется режимом истечения струи из внешнего контура.
3. Дифракция
На основе разработанного на предыдущем этапе МКЭ в формулировке Бубнова-Галёркина выполнен расчёт для двумерной и трехмерной задач дифракции звука на плоских неканонических экранах (в двумерном случае на отрезке, в трехмерном случае — на прямоугольном экране).
Для задачи дифракции звука на прямоугольном экране на основе методов Геометрической Теории Дифракции (ГТД) была проведена верификация расчётов Проведенные сравнительные расчёты показали взаимное влияние длины волны излучаемого звука, размеров экрана и расстояний от источника до экрана, и от экрана до точки наблюдения.
4. Шум обтекания
На основе результатов анализа литературы, обзора имеющихся экспериментальных данных по шуму шасси и результатов анализа известных полуэмпирических моделей шума шасси, полученных в ходе первого этапа работы по проекту, была разработана и провалидирована математическая модель шума реалистичной конфигурации шасси для широкого диапазона чисел Рейнольдса, включая натурные.
Валидация модели на основе данных по шуму маломасштабных тематических и реалистических моделей шасси, крупномасштабных тематических шасси и натурных шасси показала, что точность предложенной модели составляет 2 3 дБ, что является заметным улучшением по сравнению с другими полуэмпирическими моделями.
5. ЗПК
Построены равномерно пригодные сингулярные асимптотические решения задачи на собственные значения (продольные волновые числа звуковых мод) для уравнения Придмора-Брауна для случая произвольной формы поперечного сечения канала при наличии плоскопараллельного потока с тонким пограничным слоем и обыкновенного импедансного граничного условия на стенках. Получены аналитические решения собственной задачи для конвективного уравнения Гельмгольца с однородным потоком как для обыкновенного импедансного граничного условия, так и для условия Ингарада-Майерса, в случае подковообразной формы поперечного сечения канала (боковые стенки пилона расположены вдоль радиального направления, а значения импеданса этих стенок пропорциональны радиусу). Данные решения использованы для аналитической записи дисперсионного уравнения для поправок к собственным продольным волновым числам при наличии пограничного слоя.
6. Шум в салоне
Проведены экспериментальные исследования по определению пространственно-временной структуры полей пульсаций давления на поверхности выступов. Показана существенная неоднородность и повышенная интенсивность спектральных характеристик поля по сравнению с пульсациями давления невозмущенного турбулентного пограничного слоя. Представлены основные особенности распределения интенсивности пульсаций давления на поверхности выступа, постепенное вырождение повышенной интенсивности пульсаций давления за пределами зоны рециркуляции. Предложено уточнение эмпирической модели полей пульсаций давления на поверхности выступов.
Проведены расширенные исследования в заглушенной камере акустического стенда с цилиндрической панелью на свободной подвеске. Показано, что существует тесная связь между излучением и колебаниями избранных элементов панели.
7. Вертолеты
Выполнена верификация многоблочной модели, использующей движущиеся сетки, на расчётах методом Кабаре модельных задачах распространения акустических плоских волн через контактные поверхности и вращающуюся зону на серии сеток разного разрешения по пространству и по длине акустической волны. Показано, что разрабатываемый метод сохраняет основные характеристики базового алгоритма Кабаре и второй порядок снижения погрешности при измельчении сеток.
Выполнена верификация многоблочной модели Кабаре в расчётах обтекания тестовой модели винта, окружённого вращающейся с ним сеткой и погружённой в неподвижную сетку. Выполнена оценка основных параметров течения – нагрузок на лопасти и индуцируемых винтом пульсаций давления в контрольных точках. Определена скорость формирования квазистационарного обтекания винта.
Проведен предварительный анализ результатов измерений акустических характеристик винтов вертолета МИ-8 в летном эксперименте. После первичной обработки сформированы синхронизированные массивы базы данных акустических, траекторных и бортовых измерений для системы обработки и анализа результатов лётных испытаний.
8. Самолетные винты
С помощью математической модели расчета тонального шума самолетного винта, разработанной на первом этапе проекта, был выполнен расчет шума изолированного 6-лопастного винта APIAN, проведено сравнение полученных результатов с результатами численного моделирования с помощью высокоточного метода «Гербера», и выполнена валидация модели на основе имеющихся результатов экспериментов в крупномасштабной заглушенной аэродинамической трубе DNW-LLF для различных режимов работы винта.
Проведенное сравнение показало, что полуэмпирическая модель и высокоточный метод расчета тонального шума изолированного винта демонстрируют близкие друг к другу результаты вблизи плоскости вращения винта, которые удовлетворительно (в диапазоне 3 – 5 дБ) соответствуют экспериментальным данным для высоконагруженных режимов работы винта.
Публикации
1. Бычков О.П., Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф., Фараносов Г.А., Чернышев С. А. О ДВУХ ПОДХОДАХ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ШУМА НИЗКОСКОРОСТНЫХ ДОЗВУКОВЫХ СТРУЙ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 16–25 (год публикации - 2022)
2. Бычков О.П., Фараносов Г.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛА УСТАНОВКИ КРЫЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАССЕЯНИЯ БЛИЖНЕГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛЯ ТУРБУЛЕНТНОЙ СТРУИ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 57–67 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S2686740022050054
3. Демьянов М.А. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ С ПОМОЩЬЮ МНОГОМИКРОФОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, том 68, № 6, с. 638–646 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S032079192206003X
4. Демьянолв М.А. МЕТОД ГЕНЕРАЦИИ ЛИНЕЙНОГО ОПЕРАТОРА В ОБРАТНОЙ ЗАДАЧЕ ИДЕНТИФИКАЦИИ АЭРОАКУСТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 121–126 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S2686740022050078
5. Денисов С.Л., Остриков Н.Н. ПРИЛОЖЕНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ К ЗАДАЧЕ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИМПЕДАНСА НА УСТАНОВКЕ «ИНТЕРФЕРОМЕТР С ПОТОКОМ» Математическое моделирование, номер 10, том 34, стр. 3-19 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.20948/mm-2022-10-01
6. Зверев А.Я., Черных В.В. ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ САМОЛЕТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИХ АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗБУЖДЕНИИ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 127–135 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S2686740022050157
7. Копьев В.Ф., Зайцев М.Ю., Величко С.А., Долотовский А.В., Шевяков В.И. ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НАТУРНОГО САМОЛЕТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОМИКРОФОННОЙ АНТЕННЫ И АЛГОРИТМОВ БИМФОРМИНГА ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 68–81 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S2686740022050091
8. Копьев В.Ф., Остриков Н.Н., Денисов С.Л., Яковец М.А., Ипатов М.С. СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИМПЕДАНСА НА РАЗЛИЧНЫХ УСТАНОВКАХ ТИПА “ИНТЕРФЕРОМЕТР С ПОТОКОМ”, ВЫПОЛНЕННОЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ В РАМКАХ ПРОЕКТА IFAR ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 90–103 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S2686740022050108
9. Копьев В.Ф., Чернышев С.А. АНАЛИЗ ВТОРИЧНОГО ЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АКУСТИЧЕСКОЙ АНАЛОГИИ С ОПЕРАТОРОМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИМ ВИХРЕВЫЕ МОДЫ АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, том 68, № 6, с. 647–669 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0320791922060065
10. Лазарев Л.А., Титарев В.А., Голубев А.Ю. ОПТИМИЗАЦИЯ СИЛОВОГО НАБОРА ПОДКРЕПЛЕННОЙ ОБОЛОЧКИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВИНТА АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, том 68, № 3, с. 323–329 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0320791922030078
11. Остриков Н.Н. АСИМПТОТИЧЕСКИЙ МЕТОД УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОТОКА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ МОД В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ С ЖЕСТКИМИ СТЕНКАМИ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 104–112 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S268674002205011X
12. Солнцев И.А., Карабасов С.А. РАЗРАБОТКА НЕСТРУКТУРИРОВАННОГО КОДА ДЛЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЗОН НА ОСНОВЕ МЕТОДА КАБАРЕ С УЛУЧШЕННЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ Математическое моделирование, том 34, номер 7, стр. 73-92 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.20948/mm-2022-07-05
13. Чжао Кун, Лян Цзюньбяо, Беляев И.В., Копьев В.Ф., Гарет Беннетт Review of civil airplane landing gear noise study and its control approaches Acta Aeronauticaet Astronautica Sinica, Vol. 43 No.8 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.7527/s1000-6893.2022.26996
14. Юдин М. А., Копьев В.Ф., Чернышев С.А. РАЗВИТИЕ НАЧАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПРИ ОБТЕКАНИИ НЕЗАКРЕПЛЕННОГО ЦИЛИНДРА ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ С ПЕРЕМЕННОЙ ЗАВИХРЕННОСТЬЮ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 39–46 (год публикации - 2022)
15. Юдин М.А., Копьев В.Ф., Чернышев С.А., Фараносов Г.А. О ВКЛАДЕ ВОЛН НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ПЕРЕМЕЖАЕМОСТЬ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ ТУРБУЛЕНТНОЙ СТРУИ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 31–38 (год публикации - 2022)
16. Яковец М.А., Остриков Н.Н. О РАСПРОСТРАНЕНИИ ЗВУКА В КОЛЬЦЕВОМ КАНАЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ ПИЛОНА ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, том 506, с. 113–120 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S2686740022050121
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на разработку новых моделей источников аэродинамического шума, создание соответствующих им вычислительных алгоритмов и валидацию разработанных вычислительных методов. В рамках такого подхода в проекте рассмотрены восемь направлений аэроакустики, связанных с решением отдельных проблем, относящихся к летательному аппарату в целом. Эти направления объединены близкими механизмами, отвечающими за аэродинмическую генерацию звука турбулентными потоками. Для каждого направления проводится анализ существующего или развиваемого математического подхода к задаче и имеющегося численного инструментария, включая разработку или доработку используемых численных методов.
1. Шум струи
В работе проводится моделирование шума турбулентной струи как путем создания низкопорядковых моделей, позволяющих выявить основные факторы, определяющие звуковое излучение струи, так и высокоточными методами крупных вихрей (LES). В рамках первого направления были продолжены работы по разработке высокоэффективной модели источников звука. Проведена валидация моделей мелкомасштабных источников звука на данных измерений и численных расчетов в широком диапазоне скоростей 100 < V < 280 м/с и чисел Струхаля 0.1 < St < 1. Показано, что низкопорядковые модели способны корректно предсказывать азимутальные и корреляционные характеристики излучения при скоростях струи V < 200-240 м/с. В части работы с высокоточными численными методами расчета была проведена валидация численного кода КАБАРЕ на основе измерений характеристик поля турбулентных пульсаций и звукового поля струи. Для этого методом крупных вихрей (LES) выполнена серия расчетов для струи, истекающей из круглого профилированного сопла диаметром D=40 мм, на различных дозвуковых режимах с числами Маха M=0.4, 0.53, 0.71, 0.88. Для валидации полученных данных использовались экспериментальные результаты трех типов: термоанемометрические измерения поля скорости струи, многомикрофонные измерения пульсаций давления в ближнем и дальнем поле струи. Показано, что при заданной расчетной сетке точность моделирования существенно зависит от скорости истечения струи: для медленных струй, М<=0.4, проявляется заметный «численный» шум, а для быстрых струй ухудшается разрешение турбулентных пульсаций и шума струи. Для режима истечения М=0.53 (скорость струи 180 м/с) создана и валидирована численная база данных нестационарных характеристик в ближнем и дальнем поле, пригодная для анализа механизмов генерации шума струи.
2. Шум взаимодействия
Разработана и валидирована на основе полученных на предыдущем этапе проекта численных данных полуэмпирическая модель шума взаимодействия струи и крыла. Показано, что разработанная модель позволяет с точностью ~2дБ оценивать максимальные уровни шума взаимодействия двухконтурной струи и механизированного крыла, корректно описывать его спектральный состав, направленность, а также азимутальный состав.
В заглушенной камере АК-2 ЦАГИ проведена серия сравнительных испытаний различных модификаций задней кромки моделирующей крыло пластины с целью оценки возможности пассивного снижения шума. Были рассмотрены модификации кромки в виде ступени и шевронной накладки с различными геометрическими параметрами. Показано, что модификация типа ступени позволяет достигнуть широкополосного снижения шума взаимодействия на величину около 2 дБ.
3. Дифракция
На основе разработанного на предыдущем этапе Метода Конечных Элементов в формулировке Бубнова-Галёркина выполнен расчёт для двумерной и трехмерной задач дифракции звука на плоских неканонических экранах. Для задачи дифракции звука на полосе и на прямоугольном экране с помощью методов Геометрической Теории Дифракции (ГТД) была проведена верификация расчётов с целью выявления структуры звукового поля в ближнем поле в зоне полутени и в зоне глубокой геометрической тени.
4. Шум обтекания
Проведен аналитический обзор литературы по шуму механизации крыла и методам его моделирования. Определена область в пространстве параметров «число Рейнольдса – геометрические параметры модели – характеристики шума обтекания крыла», для которой имеются надежные экспериментальные и/или вычислительные данные применительно к механизации крыла самолета. Показано, что существующие полуэмпирические модели недостаточно хорошо моделируют шум закрылка, так что необходима разработка уточненной модели шума механизации крыла, в особенности применительно к шуму закрылка.
5. Распространение звука в каналах и ЗПК
В заглушенной камере АК-2 проведена валидация разработанного численного метода расчета излучения звука из каналов при наличии неоднородного потока для двух геометрий канала (цилиндрический и кольцевой каналы). Были проведены синхронные измерения на решетке из 48 микрофонов и решетке из 12 микрофонов в дальнем поле. Основной вывод настоящей работы состоит в том, что случай генерации коррелированных звуковых мод в канале является наиболее сложным для прогнозирования направленности излучения в дальнем поле, поскольку в его формировании участвуют почти все звуковые моды.
6. Шум в салоне
Представлены результаты экспериментальных исследований по определению пространственно-временной структуры полей пульсаций давления в окрестности боковой кромки выступа (в ее передней части). Получены характеристики распределения степени взаимосвязи и конвективных свойств. Предложена единая модель пульсаций давления на поверхности выступов и в его окрестности. В реверберационных камерах акустического стенда АК-11 проведены исследования по определению звукоизоляции и виброакустических характеристик плоской панели со съемными стрингерами и шпангоутами, моделирующей фюзеляжную конструкцию пассажирского самолета. Проведен расчетный анализ влияния параметров силового набора на звукоизолирующие и виброакустические характеристики конструкций.
7. Вертолетные винты
Проводилась работа по разработке и валидации двух различных численных методов расчёта тонального шума несущего вертолётного винта. В рамках первого направления была проведена модернизация численного метода расчёта тонального шума несущего вертолётного винта на режиме горизонтального полёта. Реализовано полное трёхмерное движение лопастей, учитывающего работу автомата перекоса, применяемого для балансировки крена и учёта различия скоростей обтекания лопастей при горизонтальном полёте. Проведена валидация на материалах статей из открытых источников. В рамках второго направления разработан алгоритм решения уравнений Навье-Стокса методом Кабаре на многозонных сетках со скользящим интерфейсом между вращающимися и неподвижными зонами сетки. Алгоритм реализован с возможностью распараллеливания расчётов на компьютерах с GPU. Выполнена верификация многоблочной модели Кабаре на имеющихся данных в открытой литературе и оценка эффективности использования GPU в серии расчётов обтекания вращающегося тестового винта.
8. Самолетные винты
Разработана математическая модель расчета тонального шума открытого ротора включающая в себя расчет распределения аэродинамических нагрузок по поверхности лопасти на основе импульсной теории элемента лопасти винта. Сформирована база данных по акустическим и аэродинамическим характеристикам маломасштабных моделей открытого ротора / винта в установленной конфигурации. Она включает данные проекта ENODISE, данные собственных измерений ЦАГИ для винта APIAN в большой заглушенной трубе DNW-LLF (Нидерланды), а также данные специализированных экспериментов в УНУ «Заглушенная камера с потоком АК-2 ЦАГИ» для тонального и широкополосного шума винта в установленной конфигурации (вблизи поверхности).
Публикации
1. Башкатов В.В., Остриков Н.Н. Исследование влияния нелинейного режима работы сотвых ЗПК при высоких уровнях звукового давления на распространение звуковых волн в цилиндрическом канале с потоком. Акустический журнал, - (год публикации - 2024)
2. Беляев И.В., Макашов С.Ю., Зайцев М Ю., Юдин В.Г., Потапов А.В. Ground Tests of Rectangular Nozzle with Noise Reduction Devices on Aircraft Acoustical Physics, Vol. 69, No. 2, pp. 242–248 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063771023600067
3. Бычков О.П., Фараносов Г.А. Validation of a Two-Point Jet–Wing Interaction Noise Model for a Realistic Configuration Acoustical Physics, Vol. 69, No. 2, pp. 146–154 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S106377102260067X
4. Голубев А. Ю., Кузнецов С. В. Пристеночные пульсации давления на поверхности обтекателя в форме полуэллипсоида и в его окрестности ИЗВЕСТИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА, Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 6. С. 75-85. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S1024708423600227
5. Дубинский С.В., Севастьянов Ф.С., Костенко В.М., Денисов С.Л. Impact Damage Influence Investigations on the Composite Skin-Stringer Joint Fatigue Characteristics Under Conditions of Vibroacoustic Loading Acoustical Physics, Vol. 69, No. 2, pp. 270–277 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063771023700616
6. Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф., Величко С.А., Беляев И.В. Localization and Ranking of Aircraft Noise Sources in Flight Tests and Comparison with Acoustic Measurements of a Large-Scale Wing Model Acoustical Physics, Vol. 69, No. 2, pp. 165–176 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063771023700562
7. Зверев А.Я Comparative Analysis of the Acoustic Characteristics of Composite and Metal Panels Under Sound and Pseudosound Excitation Acoustical Physics, Vol. 69, No. 2, pp. 249–260 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063771023700574
8. Копьев В.Ф., Бычков О.П., Копьев В.А., Фараносов Г.А., Моралев И.А., Казанский П.Н. Active Control of Jet–Wing Interaction Noise Using Plasma Actuators in a Narrow Frequency Band Acoustical Physics, Vol. 69, No. 2, pp. 177–190 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063771022600668
9. Кузнецов С.В., Голубев А.Ю. The Effect of the Step Height on the Wall Pressure Fluctuations near Its Side Edge in the Turbulent Boundary Layer Acoustical Physics, Vol. 69, No. 2, pp. 220–227 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063771022060082
10. Остриков Н.Н., Яковец М.А., Ипатов И.С., Панкратов И.В. Validation of a Method for Determining the Modal Composition of a Tonal Sound Field in a Cylindrical Duct Based on Synchronous Measurements in the Duct and the Far Field in Absence of Flow Acoustical Physics, Vol. 69, No. 2, pp. 216–229 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063771023700550
11. Солнцев И.А., Карабасов С.А. CABARET on rotating meshes Applied Mathematics and Computation, Volume 446 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.amc.2023.127871
12. Воронцов В.И.,Фараносов Г.А., Копьев В.Ф., Зайцев М.Ю., Карабасов С.А. Программа для оценки тонального шума несущего винта вертолета на режиме висения на основе гибридного метода расчета. -, 2022684966 (год публикации - )
13. - Самолеты становятся тише. Математические модели ЦАГИ против авиационного шума Еженедельная газета научного сообщества ПОИСК, №17 (1767) I 28 АПРЕЛЯ 2023 (год публикации - )