航空噪聲模擬案例課件

1、FFT-,ACTRAN在航空工業(yè)的應(yīng)用,內(nèi)容,Free Field Technologies 與ACTRAN 軟件介紹 飛機(jī)內(nèi)部聲學(xué)問題 飛機(jī)外部聲學(xué)問題 ACTRAN TM ACTRAN DGM,Free Field Technologies,1998，由Dr. Jean-Pierre Coyette、Dr. Jean-Louis Migeot創(chuàng)立 總部在比利時布魯塞爾，法國圖盧茲、日本東京設(shè)有分部 1999-2001，雷諾, 標(biāo)志, 菲亞特, 通用汽車, 空中客車, 殼牌石油, 德國Lloyd船級社等十一家大型企業(yè)，共同資助FFT開發(fā)ACTRAN軟件 專業(yè)的聲學(xué)仿真工具: 振動聲學(xué) (Ac

2、tran/Vibro Acoustics, Actran for Nastran) 流動聲學(xué) (Actran/TM, Actran/DGM, Actran/Aero Acoustics) 前后處理器 (Actran/VI) 服務(wù): 培訓(xùn), 技術(shù)交流, 工程咨詢, 特別開發(fā) 科研:FFT參加眾多科研項目，從風(fēng)機(jī)噪聲、螺旋槳噪聲、輪胎噪聲、航空發(fā)動機(jī)噪聲到高性能計算以及產(chǎn)品的聲學(xué)設(shè)計等。,Locations,Some Aerospace Customers,The ACTRAN software suite,ACTRAN VI,ACTRAN Acoustics,聲學(xué)仿真工具 典型應(yīng)用 管道中聲傳播

3、 聲波遇到障礙物的衍射 振動結(jié)構(gòu)的聲輻射 作為其他ACTRAN高級模塊的基礎(chǔ) ACTRAN VibroAcoustics ACTRAN AeroAcoustics ACTRAN TM,消聲器,環(huán)控系統(tǒng),齒輪箱聲輻射,ACTRAN VibroAcoustics,振動聲學(xué)仿真工具 豐富的有限單元與材料庫: 聲學(xué)有限元與無限元 粘彈性梁單元、殼單元與實體單元 復(fù)合材料單元，允許考慮預(yù)應(yīng)力作用 (新) 多孔與多孔彈性單元 壓電材料單元，支持換能器、聲納與主動控制模擬 (新) 真實的激勵方式: 聲學(xué)，運動學(xué)與動態(tài)激勵 湍流邊界層 擴(kuò)散聲場 高性能求解器與并行處理,揚聲器,側(cè)窗聲傳遞,殼體輻射噪聲,ACT

4、RAN AeroAcoustics,寬帶流致噪聲仿真工具 (湍流噪聲) 特性 支持大多數(shù)的CFD軟件 Lighthill聲類比：針對低馬赫數(shù)、均質(zhì)流 Morhing聲類比：針對高馬赫數(shù)、非均質(zhì)流 提供積分插值法,風(fēng)扇噪聲,空調(diào)管道,與實驗結(jié)果比較,ACTRAN TM,唯一模擬飛機(jī)發(fā)動機(jī)以及其他渦輪機(jī)械噪聲的工具 特性: 以管道模態(tài)方式定義聲學(xué)激勵 非均質(zhì)背景流下聲音的傳播 精確模擬聲襯 客戶: Airbus, Rolls-Royce, SNECMA, General Electric, MTU, Honeywell, Liebherr, Turbomeca, Aermacchi, ., Aer

5、macchi, Airbus, Airbus,ACTRAN/DGM,目標(biāo)：求解渦輪發(fā)動機(jī)的排氣噪聲 特性 線性歐拉方程 (LEE) 時域求解 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 可以導(dǎo)入常見CFD軟件計算得到的平均流結(jié)果,Complex Exhaust Flow,Acoustic field, TURNEX Project,ACTRAN for NASTRAN,從白車身到添加內(nèi)飾材料整車模型的聲學(xué)仿真工具 與 Nastran 完全兼容 應(yīng)用于分階段的研發(fā)進(jìn)程 滿足計算精確性要求的同時，極大地提高求解速度 客戶: Ford, Nissan, MMC, Rieter, .,Trim is everywhere,Supe

6、rlement coupling,From BIW to trimmed body,ACTRAN VI,ACTRAN各模塊的前后處理器 驗證與修改其他工具創(chuàng)建的ACTRAN模型 利用其他CAE工具創(chuàng)建的網(wǎng)格，建立ACTRAN分析模型 結(jié)果后處理顯示功能,Model creation and validation,Advanced post-processing,FRF Display Tool,內(nèi)容,Free Field Technologies 與ACTRAN 軟件介紹 飛機(jī)內(nèi)部聲學(xué)問題 飛機(jī)外部聲學(xué)問題 ACTRAN TM ACTRAN DGM,ACTRAN VibroAcoustics

7、for Aircraft,飛機(jī)內(nèi)部振動聲學(xué)問題,飛機(jī)噪聲 主要聲源,客艙內(nèi)部噪聲級,起飛與降落階段發(fā)動機(jī)噪聲,發(fā)動機(jī)關(guān)閉后，APU噪聲,Actran, the Appropriate Software for ,氣動聲學(xué): 發(fā)動機(jī)噪聲級指向性 進(jìn)氣道 / 風(fēng)扇噪聲: Actran/TM 尾噴 / 外涵道噪聲: Actran/TM 與 Actran/DGM 聲襯效果: Actran/TM 或 Actran/DGM 振動聲學(xué): 機(jī)身壁板/駕駛艙性能 傳遞損失計算TL TL, 發(fā)動機(jī)激勵(結(jié)構(gòu)傳遞& 空氣傳遞) TL, 湍流邊界層激勵(TBL) 機(jī)身壁板 改進(jìn) 氣動 / 振動-聲學(xué): 輔助設(shè)備噪聲(

8、環(huán)控 系統(tǒng)& APU),機(jī)身壁板的聲學(xué)性能,ACTRAN具備模擬多層結(jié)構(gòu)的阻尼、聲吸收以及傳遞損失的功能: 粘彈性, 多孔泡沫材料 (Biot 模型) & 加強(qiáng)筋 流體-結(jié)構(gòu)耦合(一個模型內(nèi)包含結(jié)構(gòu)與流體) 快速頻響 Krylov 求解器,機(jī)身壁板& 駕駛艙聲透射,Actran 有限元模型可以考慮: 真實的形狀 & 結(jié)構(gòu)非均質(zhì)效應(yīng) 變厚度的結(jié)構(gòu) 多層結(jié)構(gòu)的觀察窗 玻璃棉(Biot 模型) 框 & 加強(qiáng)筋 地板 附加質(zhì)量 激勵類型效應(yīng) 擴(kuò)散聲場 湍流邊界層(Corcos) 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)傳遞激勵,案例: 機(jī)身壁板聲學(xué)分析,Application Review,介紹,ACTRAN Vibro-Acou

9、stic 模塊被 飛機(jī)制造商廣泛使用 工程師能夠利用ACTRAN 研究駕駛艙、機(jī)身壁板的聲學(xué)性能, etc. ACTRAN 仿真分析與實驗進(jìn)行比較 該案例介紹使用ACTRAN Vibro-Acoustics計算機(jī)身壁板的聲學(xué)性能 計算中只考慮一段機(jī)身壁板,鋁蒙皮 + 碳纖維地板: 客艙是對稱性的 半空間模型+ 對稱邊界條件 網(wǎng)格要求= 捕捉到彎曲效應(yīng) (與彎曲波長相關(guān)),模擬結(jié)構(gòu)動態(tài)性能,5.4 m,聲波傳遞入艙內(nèi)- 1,鋁蒙皮, 觀察窗和內(nèi)部空間: 蒙皮與觀察窗外部施加湍流邊界層激勵 (Corcos Model) 聲波透過機(jī)身蒙皮傳遞入艙內(nèi) 計算降噪指數(shù) (NR),鋁蒙皮, 觀察窗和內(nèi)部空間

10、:,聲學(xué)結(jié)果 降噪指數(shù),NR 薄膜效應(yīng)（剛度）控制區(qū),NR 模態(tài)控制區(qū),NR 質(zhì)量定律控制區(qū),窄帶,復(fù)合材料 vs. 鋁,復(fù)合材料vs 鋁蒙皮:,Mean 1/3 octave,加強(qiáng)筋 & 框效應(yīng),鋁蒙皮, 觀察窗, 加強(qiáng)筋, 框和空腔:,Mean 1/3 octave,地板效應(yīng),鋁蒙皮, 觀察窗, 加強(qiáng)筋, 框, 地板 和空腔:,地板導(dǎo)致的聲場不連續(xù)性,Mean 1/3 octave,絕熱隔聲層效應(yīng),鋁蒙皮,觀察窗,加強(qiáng)筋,框,地板,玻璃棉和空腔:,Mean 1/3 octave,計算統(tǒng)計,計算統(tǒng)計: 自由度: 153,861 頻率范圍: 10Hz 1500Hz, 100個頻率 內(nèi)存: 2

11、GB 時間: 2.5 小時 ( 1.5 分鐘/頻率) 電腦: Intel Xeon 5160, Linux 系統(tǒng),案例: 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的隔聲量：氣動(Corcos model)與聲學(xué)激勵,Pascale Neple and Bruno Campolina ,Airbus Interior Noise Department Jean-Pierre Coyette Free Field Technologies Noisecon 2008,實驗裝置,圓柱形殼體，內(nèi)部空間封閉 預(yù)測加強(qiáng)筋的作用 不同激勵的影響 解析方法軟件 (FFT開發(fā), AIRBUS所有權(quán), 與ACTRAN交叉驗證) vs. 實驗,A

12、CTRAN vs. 解析方法軟件,Paper “An enhanced modal approach for random vibro-acoustics”, ISMA Conference 2008,實驗驗證,Delta NR ：加強(qiáng)筋效果,（3）仿真, 湍流邊界層激勵,（1）實驗, 擴(kuò)散聲場激勵,（2）仿真, 擴(kuò)散聲場激勵,ACTRAN可以提供實驗室無法實現(xiàn)的湍流邊界層激勵！,案例:環(huán)控系統(tǒng)管道的聲學(xué)設(shè)計,Presented by Airbus & FFT at NoiseCon 2008,環(huán)控系統(tǒng)噪聲,環(huán)控系統(tǒng): 重要的內(nèi)部噪聲源 預(yù)測噪聲源- Actran AeroAcoustics

13、預(yù)測并且降低管道的被動聲傳播，優(yōu)化管道形狀,研究目標(biāo),聲波在環(huán)控管道內(nèi)傳播，管壁使用復(fù)合材料； 諸多因素影響管道的聲學(xué)性能 截面形狀 固定裝置 管壁的材料屬性、厚度 ACTRAN 可以研究以上所有因素,結(jié)果 1,能量守恒 橫截面形狀的影響,偏心度最大的管道，其聲衰減最多 !,結(jié)果 2,能量守恒 固定裝置的影響,管道固定位置越多, 聲衰減越大!,內(nèi)容,Free Field Technologies 與ACTRAN 軟件介紹 飛機(jī)內(nèi)部聲學(xué)問題 飛機(jī)外部聲學(xué)問題 ACTRAN TM ACTRAN DGM,ACTRAN TM,Key Features,A380 短艙 聲壓云圖 mode (8,3),A

14、CTRAN TM 概括,風(fēng)扇噪聲是當(dāng)代高涵道比發(fā)動機(jī)的主要噪聲源 模型設(shè)計階段: 價格昂貴 & 費時 仿真工具必須具備的特性 能夠考慮非均質(zhì)平均流效應(yīng) 聲襯模擬 管道模態(tài) 計算性能 ACTRAN TM 滿足以上需求 基于有限元與無限元方法 激勵以管道模態(tài)方式加載 導(dǎo)納邊界條件，有流條件 并行處理與高性能求解器 可壓縮流求解器,應(yīng)用領(lǐng)域,可以研究兩個問題: 短艙進(jìn)氣道 外涵道管道（TM只能研究外涵道, 不能考慮尾噴與剪切層） 在所有案例中，聲源由一系列管道模態(tài)組成，代表風(fēng)扇噪聲與出口導(dǎo)流葉片噪聲,Acoustic lining,Modal Coupling,nacelleproblem,bypa

15、ss ductproblem,建模方法: 短艙進(jìn)氣道實例,（1）這個模型中建立軸對稱模型； （2）短艙后部不影響全局的聲學(xué)指向性，因此建模中忽略該部分。,處理平均流,Actran/TM 可以處理非均質(zhì)平均流 Actran可以計算可壓縮勢流 支持利用CFD軟件計算流場 Actran/TM 兼容 Star-CD, Fluent 等流體分析軟件 處理步驟:,CFD Flow (HDF format),FFT/CFD codes interface,Flow interpolated on the “Actran” mesh (HDF format),聲源建模 管道模態(tài),聲源利用一系列的管道模態(tài)方式表

16、述(Tyler&Sofrin theory) 操作上: 一系列旋轉(zhuǎn)模態(tài)，給定徑向與周向階次 選擇BPF頻率或其他頻率處的振幅與相位 反射模態(tài)設(shè)置為自由 (無反射邊界條件),Radial order = 1 Azimuthal order =0,Radial order = 1 Azimuthal order = 4,Radial order = 2 Azimuthal order =4,Radial order = 2 Azimuthal order =4,遠(yuǎn)場: 聲無限元,兩個作用: 作為無反射邊界條件 獲得計算域外的遠(yuǎn)場結(jié)果,聲襯: 導(dǎo)納邊界條件,ACTRAN/TM 精確模擬掠射流動的聲襯

17、性能(as per the Myers-Eversman formulation),With Liner and flow,Without Liner, with flow,ACTRAN TM,Some Public validations/applications,實例: 短艙進(jìn)氣道,ACTRAN 模型,虛擬傳聲器,聲無限元,導(dǎo)納,管道模態(tài)激勵,聲襯影響,平均流影響,進(jìn)氣道聲輻射實驗驗證,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,仿真分析規(guī)則,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計算平均流或使用CFD軟件計算 (例如Fluent) 不同背景流提取方法對結(jié)果的影響很小 在ACTRAN分析中如何選擇管道模態(tài) (對于葉片通過頻率以及寬帶噪聲） FFT提供眾多關(guān)于寬帶噪聲分析的文獻(xiàn)以及培訓(xùn)材料,風(fēng)扇后部噪聲控制,AIAA 2007-3527: “Aft fan noise reduction with a lined afterbody”- B.J. Tester & L. De Mercato 文獻(xiàn)介紹風(fēng)扇后部使用聲襯進(jìn)行噪聲控制，實

20、驗值與ACTRAN計算結(jié)果比較。,短艙唇口形狀效應(yīng),AIAA 20012140: Acoustic Radiation Modelling Of Aeroengine Intake ., S.Lidoine, H.Batard, S.Troyes, A.Delnevo (Airbus) and M.Roger (ECL) 文獻(xiàn)解釋如何使用ACTRAN設(shè)計短艙唇口形狀，并與其他解析方法計算結(jié)果對比,唇口聲襯拼接影響,AIAA 2008-2979 “Evaluation of Lip Liner Benefits” F.Gantie & M.Clewley,拼接影響,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,從制造方面考慮,聲襯往往采用拼接裝配； 拼接區(qū)域沒有進(jìn)行聲學(xué)處理，導(dǎo)

23、致阻抗不連續(xù)性，并形成新的管道模態(tài),實例: APU聲學(xué)特性分析,Application Review,介紹,Auxiliary Power Unit （APU）為飛機(jī)在停機(jī)坪的停留提供動力 APU噪聲是飛機(jī)在停機(jī)坪上的主要噪聲源 APU制造商需要在APU進(jìn)口與出口做聲學(xué)處理，以降低噪聲 ACTRAN可以預(yù)測聲學(xué)處理的效果,APU 進(jìn)口 幾何,研究分別在管道內(nèi)與分隔板處，4個部位聲學(xué)處理的效果。,機(jī)身壁板,聲襯,分隔板,進(jìn)氣口,0.4m,0.2m,ACTRAN 有限元模型,ACTRAN有限元模型包含4個組件 聲傳播媒質(zhì) 模擬自由場傳播，計算遠(yuǎn)場聲學(xué)響應(yīng) 管道模態(tài)聲學(xué)激勵 兩個導(dǎo)納邊界條件模擬聲學(xué)

24、處理 遠(yuǎn)場設(shè)置虛擬傳聲器，計算聲學(xué)指向性 網(wǎng)格劃分時間1小時,無限元,管道模態(tài),有限元,聲襯,虛擬傳聲器,0,90,R=1m,分隔板,平均流,平均流計算,APU系統(tǒng)中溫度恒定，平均流可以看作勢流 平均流可以使用ACTRAN內(nèi)置可壓縮流求解器計算 計算時間 40分鐘,聲學(xué)計算,模型包含1.1M自由度，支持的最高分析頻率：2000Hz 利用多載荷工況特性，使用Linux 64 位電腦，計算所有管道模態(tài)的時間是1h45 min,200Hz聲壓實部 Mode (1,1),聲處理效果,傳遞損失(TL) 等于: 10*log(入射聲能/ 輻射聲能) ACTRAN自動計算“寬帶”入射與輻射聲能 聲襯效果越好

25、，輻射聲能越低，傳遞損失越大 這個案例中， admittance 4展現(xiàn)了最好的聲學(xué)性能,聲襯,Real Part of the Pressure at 200Hz Mode (0,0) Admittance 3,APU 指向性,指向性比較: admittance 4 展現(xiàn)最好的聲衰減 聲處理對APU指向性特征影響較小 由于進(jìn)氣口作用，APU主要向 90方向輻射噪聲,聲壓級云圖,No admittance,Admittance 1,Admittance 3,Admittance 4,動畫 Mode (0,0),Admittance 4,No admittance,內(nèi)容,Free Field T

26、echnologies 與ACTRAN 軟件介紹 飛機(jī)內(nèi)部聲學(xué)問題 飛機(jī)外部聲學(xué)問題 ACTRAN TM ACTRAN DGM,ACTRAN/DGM,噪聲在渦輪發(fā)動機(jī)尾噴管道內(nèi)的傳播,Context,渦輪發(fā)動機(jī)從外涵道和尾噴輻射出的噪聲是飛機(jī)重要的噪聲源 排氣問題能夠利用有限元方法處理 外涵道: 旋流 尾噴: 厚剪切層和溫度梯度 結(jié)合歐盟的兩個科研項目, FFT與工業(yè)伙伴開發(fā)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,研究的問題與挑戰(zhàn),Actran/DGM : 3D/Axi,支持3D與2D軸對稱模型,3D 網(wǎng)格,軸對稱網(wǎng)格,A typical 3D setup,3D effect on the far field directivity,實驗驗證,歐盟 TURNEX 項目驗證 :,靜態(tài)方法8500Hz遠(yuǎn)場指向性 與實驗結(jié)果對比,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,聲傳播的剪切流效應(yīng),Flight Cutback Fan noise mode (26,1) kr 40,剪切層導(dǎo)致的聲散射,遠(yuǎn)場指向性產(chǎn)生變化,寬帶噪聲計算,AIAA_2009 -3292: “Broadband Turbo machinery Noise: Exhaust Noise Computations with Actran”, J. Manera, R. Leneveu, J.Mardjono, Snecma-FFT 寬帶噪聲代表被動頻率輻射噪聲 目前航空工業(yè)使用模態(tài)方法 多載荷特性: 精確解，計算時間長 隨機(jī)載荷特性:

29、近似解，無需更多計算資源,Flight Approach Fan Broadband Noise kr 20,流體的復(fù)雜性,AIAA 2008-2883 : “Kelvin-Helmholtz Instabilities Occurring at a Nacelle Exhaust”, B. Schiltz, J. Manera, R. Leneveu, S. Caro, J. Jacqmot, FFT 剪切流是不穩(wěn)定的 物理現(xiàn)象非常復(fù)雜 Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性與漩渦模式相關(guān)，本質(zhì)上是三維問題,Numerical Kelvin Helmholtz instabilities,Numerical Kelvin Helmholtz instabilities,3D 效應(yīng) 非軸對稱,AIAA_2009 : “Exhaust noise prediction of realistic 3D lined turbofans submit