控制航空噪音 高精度聲學計算有作為

文／徐 輝

目前，全球航空客運運輸帶來嚴重的生態(tài)問題。世界主流發(fā)動機都是利用化石燃料的燃燒來釋放能量來產(chǎn)生推力，因此會排放巨量的二氧化碳、氮氧化物和噪音。尤其是二次世界大戰(zhàn)之后出現(xiàn)的噴氣式發(fā)動機產(chǎn)生的噪音高達到130分貝到150分貝，火箭發(fā)動機產(chǎn)生的噪音更為巨大。為了減少噪音對環(huán)境和健康造成的損害，一個精確高效的聲學計算工具來預(yù)測和控制噪音顯得極為重要。

在航空發(fā)動機降噪的過程中，科研人員利用在發(fā)動機噴口邊緣處設(shè)計成鋸齒狀，可以有效的降低發(fā)動機噪聲，在發(fā)動機的內(nèi)部，還會用到聲襯來降低噪聲。由于在大飛機的適航認證標準中，噪聲是一個不可忽略的因素，在機體降噪的過程中，需要降低機身的噪聲，比如機翼噪聲、機艙內(nèi)噪聲、起落架的噪聲等。另外在火箭的設(shè)計過程中，由于過大的噪聲會對內(nèi)部的精密儀器造成破壞，所以在火箭的設(shè)計過程中，也需要進行降噪設(shè)計。

早期的聲場預(yù)測研究方面，由于計算機能力的局限性，航空聲學以聲學類比方法為主導(dǎo)。航空發(fā)動機噪音的預(yù)測中，聲學類比方法較為有效，在商用飛機的設(shè)計中已經(jīng)得到了廣泛的采用。

隨著計算機科學的不斷發(fā)展，計算能力得到了顯著的增長。20世紀90年代，航空聲學領(lǐng)域開始向數(shù)值計算方法過渡，這使得科研工作人員和工程技術(shù)人員研究更復(fù)雜的裝置和現(xiàn)象成為了可能。科研人員建立了計算氣動聲學這樣一個新學科，可以將不同的計算氣動聲學方法分為兩類，一類是直接聲場模擬，處理流動的同時計算聲場；另外一類是混合計算氣動聲學方法，該方法將流動和計算聲場分開。

第一類方法是在計算中直接求解可壓縮Navier-Stokes方程（直接聲場模擬），由于可壓縮Navier-Stokes方程考慮了流動中的所有因素，從理論上來說，直接聲場模擬可以提供最準確的結(jié)果。然而，直接對可壓縮Navier-Stokes方程求解需要大量的計算成本，另外聲波的波長較長，需要求解的空間尺度非常大，這樣就會造成較大的耗散。在實際上，通過該方法得到的聲場是不準確的，同時為了解決低頻和遠場的航空航天聲學傳播問題，直接聲場模擬計算的時間和空間尺度都非常大，這就要求對所采用的離散格式的數(shù)值精度有更嚴格的要求，這進一步增加了數(shù)值模擬的計算工作量。因為這個原因，直接聲場模擬大多用于科研問題的研究，難以直接用于大規(guī)模工程計算。

第二類方法與第一類方法相比，混合計算氣動聲學方法通過在一個單獨的系統(tǒng)來求解流場。由于氣動聲學的聲源項都可以從流場中獲取，所以這樣的一個系統(tǒng)一般為不可壓/可壓縮的流場求解器；另外的一個系統(tǒng)為聲場求解器。在第一個系統(tǒng)中得到的流場中捕獲聲源信息后，將聲源信息導(dǎo)入聲場求解器。在這樣的設(shè)置中，兩個分開的數(shù)值模擬相對獨立，根據(jù)流場計算和聲場計算的特點，可以將聲場網(wǎng)格設(shè)置得較為均勻，聲場的網(wǎng)格大小可以更寬。第二類方法占用計算資源較小，得到的聲場耗散較小，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研和工程計算中。

目前，基于混合方法，科研人員開發(fā)了基于hp型譜元法的高階聲場求解器，具有精度高、幾何適應(yīng)性好及計算效率高的特點。由于具備這樣的優(yōu)勢，基于hp型譜元法的高精度求解器可以準確地計算不同幾何特性的聲場問題。在利用高精度方法模擬低馬赫數(shù)機翼繞流的噪聲過程中，我們先利用基于hp型譜元法的不可壓縮求解器來求解流場信息，得到每個時刻的聲源信息，然后再將聲源信息導(dǎo)入基于譜單元法的高精度聲學求解器。由于不可壓縮求解器和聲學求解器的時間和空間分辨率、控制方程和數(shù)值格式具有不同的特點，可以針對各自的特點來對網(wǎng)格大小，計算時間步長來進行優(yōu)化。通過和傳統(tǒng)方法對比，可以發(fā)現(xiàn)基于譜單元法的高精度方法預(yù)測的聲場較為準確，占用計算資源較小，而且?guī)缀芜m應(yīng)性較好。

可以預(yù)見，在不遠的將來，基于高精度方法的聲學計算將在航空航天領(lǐng)域大放異彩。上海交通大學與倫敦帝國理工學院科研人員正在使用基于hp型譜元法的聲學求解器應(yīng)對噪聲聲源定位、遠場預(yù)測及噪聲控制問題，為航空發(fā)動機風扇及飛機機翼等設(shè)計提供支撐。