PowerFLOW 中的跨音速流动仿真方法

详细了解 SIMULIA PowerFLOW 中引入的专为跨音速区域设计的新混合仿真方法。

为什么 Transonic 流需要特殊的仿真技术？

在流体动力学中，介质中的声速是最重要的参数之一。声速 1 马赫标志着流动行为中的一个尖锐阈值，过渡区域（通常为 0.8 马赫到 1.2 马赫）称为跨音速区域。跨音速流的标志包括高压缩性、高得多的阻力和激波的形成。客机通常以 0.8 马赫或更高的速度巡航，发动机和进气口等结构周围的局部气流可能超过 1.0 马赫。了解跨音速流动对于了解飞机的空气动力学和噪声分布至关重要。

计算流体动力学 （CFD） 可用于模拟飞机等物体周围的气流。模拟亚音速（低于 0.8 马赫）和超音速（高于 1.2 马赫）流动的成熟方法已有。然而，跨音速区域更具挑战性，特别是当亚音速和超音速流可以共存时。亚音速流的模拟方法无法捕捉马赫 1 附近和马赫以上的流动行为，而可以模拟高度可压缩流的方法具有更高的计算成本，并且可能会受到数值耗散增加的影响（图 1）。

为了解决这个问题并允许准确而有效地模拟跨音速流，SIMULIA （模拟） PowerFLOW 系列引入了一种专为跨音速区域设计的新型混合仿真方法。

图 1：单极子的声学方向性，将解析解与纯跨音速 （TS） 仿真和混合高亚音速/跨音速 （HS/TS） 仿真进行比较。由于减少了耗散，混合仿真显示出更好的结果。

SIMULIA PowerFLOW 中的跨音速仿真

SIMULIA PowerFLOW 是行业领先的 CFD 工具，广泛用于航空航天、汽车和风能等行业的空气动力学和气动声学仿真。PowerFLOW 将格子玻尔兹曼法 （LBM） 技术与甚大涡模拟 （VLES） 结合使用。LBM 是一种高效且准确的方法，用于模拟大型复杂几何结构周围的流动。

有针对不同类型流动的 LBM 的不同公式。弱可压缩的高亚音速 （HS） 流动可以通过单层晶格模型进行模拟，而多层晶格模型更适合于 0.95 马赫以上的高可压缩跨音速 （TS） 流动。

为了实现跨音速流的高效仿真，PowerFLOW 最近引入了一种新的混合求解器方法。该方法仅在具有高速 TS 流动的特定区域中使用具有高阶多层晶格的 TS 求解器，而在包含低速流动的仿真域的其余部分使用具有常规单层速度晶格的 HS 求解器。两者之间的界面保证了质量守恒、动量守恒和能量守恒，并在固定和旋转参考系和网格之间提供了精确的流动过渡。这确保了稳健、可靠的混合仿真。

混合 HS/TS 仿真提供的结果与实验和完整 TS 求解器仿真的结果一致（图 2 和 3），但计算成本要低得多。在某些情况下，由于数值耗散较低，它可以提供更准确的结果（图 1）。有关实现的更多信息，请参阅论文“用于高速流仿真的混合晶格玻尔兹曼方法”。

图 2：用于验证的 ONERA M6 机翼模型（左），显示了 TS 和 HS 区域之间的界面（右）。

图 3：图 2 中机翼不同横截面的压力系数 （Cp）。

跨音速流混合仿真的应用

这种混合仿真方法在空气动力学和气动声学挑战方面有许多应用。例如飞机社区噪音是航空公司和机场的一个重大问题。当地社区因噪音而反对通常会导致对机场的限制，例如缩短营业时间或限制某些飞机。精心设计可以减少噪音并提高社区对飞机的接受度。

噪声通常是跨音速现象的结果，而混合仿真有助于准确有效地仿真它。这种混合方法非常有用的一个例子是飞机上的空腔分析。空腔内部的共振（例如，管道或其他开口）会产生明显的噪音，还会引起振荡，从而导致疲劳失效。

仿真域中的马赫数可能会随着局部超音速和亚音速流动而发生显著变化。型腔内可能会出现复杂的流动行为。超音速空气射流会引起马赫波辐射，其中涡流相对于周围气体以超音速对流传播。这些导致超音速相速度的剪切层不稳定性。

使用混合求解器可以准确有效地揭示这些影响。例如，它可用于模拟机翼或飞机周围的冲击引起的抖动。这是一种固有的跨音速现象，需要模拟亚音速和超音速流动。冲击诱发抖动的仿真结果与标准基准上的实验数据非常吻合。有关更多信息，请参阅已发表的论文“使用基于 Lattice-Boltzmann 的 Transonic Solver 进行 Buffet 仿真”。

另一个应用是涡轮风扇发动机噪音。发动机内部的风扇尖端在全速下可以达到或超过 1.0 马赫。风扇叶片的方向、位置和几何形状的非常微小的变化会破坏气流的对称性。这会导致发动机内部的干扰，当叶尖达到声波条件时，次谐波分量会以多个纯音 （MPT） 的形式从发动机进气口辐射出来，也称为蜂鸣噪声。

模拟蜂鸣噪声需要对整个发动机进行建模，风扇叶片具有随机变化。使用跨音速求解器，我们首次能够模拟跨音速电锯噪声，这是 NASA 研究公告项目的一部分。要了解有关此项目的更多信息，请参阅我们的论文“使用 Lattice-Boltzmann 方法在跨音速工作条件下进行风扇音调和宽带噪声仿真”。

结论

模拟跨音速域中的气流（例如，在以 0.85 马赫的速度运行的飞机和发动机周围）可能具有挑战性。通常存在亚音速和超音速流区域，每个区域最好通过不同的方法解决。PowerFLOW 提供混合仿真方法，对仿真域进行划分，以便对流程的每个部分使用最佳方法。PowerFLOW 方法可确保仿真体积之间的界面守恒质量、能量和动量，并提供准确的流动过渡。这使得 hybrid 求解器准确而稳健，同时还降低了所需的计算成本和仿真时间。已发表的文章表明，PowerFLOW 混合求解器与标准基准的实验数据之间具有密切的一致性。