通过PowerFLOW仿真实现飞机噪声和更安静的航空
在这篇博文中，我们探讨了航空噪声的独特挑战，以及先进的仿真技术如何帮助实现更安静的天空。
噪音无处不在，尽管我们每天都会遇到它，但我们通常不会考虑它对环境或我们自己的影响，除非它扰乱了我们的日常活动。气动声学是研究湍流流体运动产生的噪声的学科，已成为航空航天、汽车甚至建筑工程等各个行业的关键研究领域。对噪声污染的日益关注，尤其是在城市环境中，人们对了解噪声是如何产生的并寻找有效的缓解策略的兴趣日益浓厚。
航空业目前正处于十字路口。旅行继续增长，到 2024 年将达到创纪录的数字。随着越来越严格的环境和可持续性法规的出台，制造商需要重新考虑他们的飞机设计方法。在这篇博文中，我们探讨了飞机噪声的独特挑战，以及先进的仿真技术如何帮助实现更安静的天空。
当前的航空形势
增加旅行
人们想去旅行。与 2023 年相比，2024 年全年航空旅行总额增长了 10.4%，到 2025 年预计将增长 8% 左右。随着旅行的增加，噪音污染和减轻噪音的压力也随之增加，这越来越受到公众和监管机构的关注。国际民用航空组织 （ICAO） 通过收紧噪音排放限制提高了标准，最近一次是在 2017 年将噪音排放限制提高了 7 分贝。与此同时，欧洲的 Flightpath 2050 等倡议旨在到本世纪中叶将飞机噪音排放量减少 65%，令人震惊。此外，主要机场的降噪政策正变得越来越严格，就像希思罗机场将着陆费与飞机噪音水平挂钩所见。
在过去的几十年里，人们的环保意识也越来越强，并期望达到一定程度的生活质量，其中包括减少噪音足迹。这种对可持续性的关注直接影响机场，包括其航班调度、路线和商业战略。
从传统喷气式飞机到创新的 eVTOL（电动垂直起降）飞行器，制造商是否会实施更安静的设计，而是何时以及如何有效地实施更安静的设计，这不再是一个问题。那么，制造商如何解决这些相互竞争的优先事项并提供更安静的飞机呢？
挑战
追求更安静的飞机的主要障碍之一在于传统的噪声测试方法，这通常发生在设计后期阶段。传统的飞行测试可能非常昂贵且耗时，这使得制造商在测试开始后几乎没有机会进行必要的设计更改。NASA X-59 超音速演示器和 Boom Supersonic 的飞机努力等备受瞩目的项目展示了噪声限制如何为下一代飞机的进步带来巨大障碍。如果没有实际的早期仿真，制造商可能会产生大量的重新设计成本和监管延误，这可能会扼杀创新，尤其是在超音速和下一代推进系统中。
新兴技术，尤其是开转子推进和 eVTOL 飞机，面临着对噪音水平的更严格审查。历史上对开式转子概念的尝试，例如 GE36 CROR 发动机，主要是由于不可接受的噪音水平而被搁置，尽管它们在燃油效率方面提供了潜在的收益。随着现代设计的重新评估，在设计过程的早期解决噪声目标问题对于成功至关重要。FAA 和 EASA 等监管机构对 eVTOL 认证提出了严格的噪声要求，因为认识到城市噪声污染在公众对这些创新的接受度中起着重要作用。
仿真的进步
应对这些挑战的一个有前途的解决方案在于改进噪声仿真方法。传统的声学仿真技术通常需要对飞机几何结构进行大幅简化，这可能导致对噪声产生的预测不完整或不准确。现代仿真工具允许进行完全详细的建模，而无需取消特征。此功能大大减少了预处理时间，同时消除了与简化特征相关的不确定性。无论分析涉及起落架、商用客机的高升力系统，还是具有多个旋翼的 eVTOL 飞机的复杂配置，这些先进的技术都能确保在设计阶段不会忽略任何关键的噪声源。
这些高级仿真技术的核心是格子玻尔兹曼方法 （LBM），与传统的计算流体动力学 （CFD） 方法相比，它具有相当大的优势。LBM 固有的简化网格划分过程显著缩短了准备时间（从数周缩短到数天），即使对于高度复杂的几何形状也是如此。此外，LBM 能够以最小的数值耗散熟练地管理瞬态、高度不稳定的流动，无需补充声学建模即可进行准确的气动声学预测。与大涡模拟 （LES） 相比，该求解器的运行速度提高了一到两个数量级，同时保持了相似的精度水平，使其成为在各种飞行条件下进行详细气动声学研究的最佳选择。
应用程序模板
应用程序模板可能是我们取得的最重要的进步SIMULIA PowerFLOW 系列.借助自动 3D 网格划分和模板化工作流程，可以快速高效地设置高保真仿真，无需耗时的手动优化。
我们为多种A&D应用提供了噪声工作流程，从起落架到高升力噪声，从孤立的旋翼噪声，到即将出现的概念，如商用航空中的开放转子噪声，从喷气式噪声，到城市场景中的全eVTOL/无人机噪声。我们的客户非常欣赏这些工作流程，因为它们是有据可查、经过研究和测试的分步程序，让用户有信心做出准确的预测。其中一些工作流程甚至具有用于前处理和后处理的全自动仿真模板，从而显著提高了效率。
结论
采用稳健的仿真解决方案的影响是深远的。通过在设计流程的早期集成高级仿真工具，制造商可以做出明智的决策，最终提高设计质量并降低开发后期进行成本高昂的修订的可能性。这种积极主动的方法加快了通往更安静天空的道路，并更无缝地与监管要求保持一致，从而提高了合规性和市场准备。
