Расчет акустики в Ansys CFX

Введение

Всемирная тенденция по увеличению комфорта воздушной техники диктует новые правила, теперь техника должна не просто летать - а летать экономично, создавая при этом как можно меньше неудобств для человека. Одним из главных факторов создающих дискомфорт является шум, при величине выше 80 дБ считается вредным для человека.

Аэрошумы можно разделить на два класса: образующиеся при смешении частиц среды в потоке и при обтекании потоком твёрдых тел. К первому классу можно отнести шум струи, ко второму - шум обтекания проводов (т. н. эоловы тона), винтов, вентиляторов и т. д. Шумы гидродинамического происхождения изучает гидроакустика.

В составе излучаемого несущим винтом шума различают вихревой (или широкополосный) шум, шум вращения лопастей и хлопки  лопастей. Хотя различие между этими составляющими не столь велико, как это поначалу кажется, такая классификация полезна для представления результатов.

Создание малошумного и эффективного винта весьма серьезная проблема, так как эти два признака обычно стоят врознь друг другу. Для разработки таких винтов необходимого использовать новые материалы или же конструкторские идеи.

1.Теоретическое обоснование звука

Хотя вертолет является самым малошумящим летательным аппаратом вертикального взлета, уровень вызываемого им шума все же достаточно высок. Это может стать существенным недостатком вертолета, если в процессе проектирования не принять специальных мер по снижению шума. Поскольку требования в отношении уровня шума летательных аппаратов становятся все более жесткими, исследование звукоизлучения несущего винта в процессе проектирования вертолета приобретает важное значение. Вследствие периодичности обтекания лопастей винта спектр шума заметно концентрируется вблизи частот, кратных частоте NQ прохождения лопастей (рис.1.1). Излучение шума вызывается тем, что постоянные по величине составляющие подъемной силы и силы сопротивления вращаются вместе с лопастями, а также изменением высокочастотных составляющих этих сил. В области высоких частот наблюдается расширение спектральных линий, что связано со случайными изменениями параметров течения, в частности с флуктуациями нагрузок, возникающих под влиянием свободных вихрей. Акустическое давление изменяется по времени в основном с периодом n/NQ, причем возникают резкие пики давления, связанные с местными аэродинамическими явлениями, например проявлениями сжимаемости и вызываемыми вихрями изменениями нагрузок. В составе излучаемого несущим винтом шума различают вихревой (или широкополосный) шум, шум вращения лопастей и хлопки лопастей. Хотя различие между этими составляющими не столь велико, как это поначалу кажется, такая классификация полезна для представления результатов.

Вихревой, или широкополосный, шум представляет собой высокочастотный свистящий звук, частоты и амплитуды которого модулированы периодическим сигналом, имеющим частоту прохождения лопастей. Этот шум носит случайный характер и связан со случайными изменениями нагрузок на лопастях. Энергия такого шума распределена по значительной части спектра слышимых частот, которая для несущего винта занимает примерно от 150 до 1000 Гц с максимумом около 300- 400 Гц. (следует отметить что диапазон слышимости для человека составляет 100-20000 Гц с максимумом восприятия на частоте 1000 Гц) Вихревой шум несущего винта вызван в основном случайными изменениями подъемной силы вследствие прохождения лопасти в турбулентном следе. Особую роль в его создании играют концевые вихри. Среди других источников вихревого шума можно назвать изменение сил на лопасти вследствие сходящих с задней кромки поперечных вихрей, турбулентности набегающего потока, а также отрыва и турбулентности пограничного слоя. (Отметим, что само название «вихревой шум» отражает первоначальную концепцию его связи с дорожкой поперечных вихрей, подобной образующейся, при обтекании цилиндра. Максимум интенсивности шума вращения попадает на весьма низкие частоты, так что несколько низких гармоник могут вообще не попадать в слышимый диапазон. Таким образом, если шум вращения превалирует, то это не самый неприятный для восприятия случай. С учетом восприятия преобладающим часто оказывается вихревой шум.

Рисунок 1.1 - Спектр шума несущего винта

Шум вращения определяется чисто периодическим изменением акустического давления, создаваемого периодическим силовым воздействием лопастей на воздух. Спектр такого шума состоит из дискретных линий частот, кратных частоте NQ прохождения лопастей. Шум вращения преобладает в низкочастотной части спектра и в случае несущего винта соответствует частотам от невоспринимаемых. Шум вращения может вызвать вибрации конструкций вертолета и усталостные повреждения. Кроме того, низкочастотный шум хорошо распространяется в атмосфере, тогда как высокие гармоники быстрее затухают по удалении от вертолета. Поэтому на больших расстояниях от вертолета хлопки лопастей и шум вращения несущего винта имеют наибольшее значение. Вертолет обычно обнаруживается акустически по шуму вращения несущего винта.

Шум измеряется в специальных единицах - децибелах (дБ), определяемых соотношением

дБ=10lg

Логарифмическая шкала используется потому, что она лучше отражает различия в порядках величин звуковых сигналов и свойства слуха реагировать на шум пропорционально логарифму его мощности. Интенсивность потока акустической энергии в заданной точке поля определяется величиной

 

где р- возмущение давления, а  - скорость возмущенного движения среды. Мгновенное значение  представляет собой энергию, излучаемую на единицу площади. В дальнем поле возмущенные скорость и давление связаны соотношением  так что интенсивность потока энергии определяется выражением

 

где  - скорость звука,  - среднее значение плотности воздуха, - среднее квадратическое значение звукового давления. Таким образом, интенсивность акустического излучения определяется величиной среднего квадратического давления. Органы слуха и конструкция летательного аппарата реагируют на отклонение величины давления от атмосферного. Поэтому шум характеризуют уровнем звукового давления SPL (Sound Pressure Level), измеряемым в децибелах по отношению к эталонному давлению SPL=20lg.

За эталонное давление обычно принимают . Таким образом, кривую спектральной плотности среднего квадратического давления можно рассматривать как закон частотного распределения звуковой энергии.

аэродинамический лопасть звук законцовка

2.Расчет звука

 

.1 Выбор метода расчета

Для расчета звука как видно из главы 1 необходимо иметь эмпирические данные, полученные из опытов продувки. Процесс продувки очень дорогостоящий, поэтому было принято решение использовать программу моделирующую все эти процессы.

Одной из таких программ является Ansys и ее модуль CFX.

Ansys - программный комплекс использующий метод конечных элементов для ведения расчетов.

CFX- модуль программного комплекса ANSYS включающий в себя расчет аэродинамических характеристик.

 

2.2 Выбор профиля лопасти

Для ведения расчета выбирается из атласа профилей профиль модификация ClarkY-15, характеристики которого указаны в таблице 2.2.1. Выбор обоснован тем, что профиль достаточно прост и не вызовет затруднений при его моделировании в 3D.

Таблица 2.2.1 - Характеристики профиля Модификация Clark Y-15

Максимальная толщина	Толщина на 15% хорды	Толщина на 70% хорды	Размер модели	Kmax	Cymax	Cxmin	Cm0
10,0%	9.1%	6,2%	300×1500 мм	20,7	0,675	0,0046	0,024

При этом K_max-максимальное аэродинамическое качество профиля, C_ymax - максимальный коэффициент подъемной силы, C_xmin- коэффициент минимального лобового сопротивления, C_m0-значение коэффициента продольного момента при C_y=0.

Рисунок 2.2.1- График изменения подъемной силы крыла от угла атаки

Рисунок 2.2.2- Профиль лопасти

Как видно из рис.2.2.2 моделируемый профиль имеет сходство но не идентичен с профилем ЦАГИ таким образом можно отметить, что это будет создавать некоторую погрешность расчета

 

2.3 Расчет профиля лопасти

 

.3.1 Определение расчетной области

В связи с недостатком данных по звуку проведем анализ обтекания лопасти в Ansys CFX,для того чтобы определить точность модели и объекты её доработки, при этом будет моделироваться опыт по продувке профиля ClarkY-15 в аэродинамической трубе Т-1 находящейся в ЦАГИ.

Геометрические характеристики лопасти указаны в таблице 2.2.1.

Расчетная область выбрана согласно аэродинамической трубы Т-1 используемой ЦАГИ.

Таблица 2.3.1.1 - Геометрия расчетной области

Длина	Радиус
6 м	3 м

 

2.3.2 Определение граничных условий

Как было сказано раньше Ansys CFX основан на методе конечных элементов, т.е для решения уравнений необходимо вводить граничные условия( для того чтобы уравнения были определимые), а именно условие на входе и на выходе из расчетной области, свойства среды.

Составив условия для расчета занесем их в таблицу 2.3.2.1 при этом необходимо руководствоваться атласом и методическими пособиями по ANSYS.

Таблица 2.3.2.1- Граничные условия

Среда	воздух
Температура среды	25⁰С
Атмосферное давление	1 атм
Скорость потока	75 м/с
Избыточное давление за расчетной областью	0 Па
Высота	0 м

Скорость потока была выбрана выше чем в опыте, что на результаты никак не повлияет, при этом обеспечивается выше число Рейнольдса и модель приближается к реальным условиям полета.

Рисунок 2.3.2.1- Расчетная область

На рис 2.3.2.1 изображена расчетная область.

В центре, в начале координат расположен профиль лопасти. Для ускорения расчета моделируется только половина трубы и лопасти относительно плоскости симметрии, что также сокращает используемые программой ресурсы в два раза.

 

2.3.3 Создание сетки и расчет

При создании сетки учитываются параметры для общей сетки (рис 2.3.3.1), для сетки местного размельчения (рис.2.3.3.3) и пограничного слоя (рис. 2.3.3.4).

Рисунок 2.3.3.1-Параметры общей сетки.

Рисунок 2.3.3.2- Меню определения сетки.

Рисунок 2.3.3.3- Создание местного разбиения сетки.

Рисунок 2.3.3.4 - Определение пограничного слоя.

При определении оптимальных размеров общей сетки проведем расчет при разных ее значениях с последовательным понижением размеров сетки, увеличением количества ячеек.

Таблица 2.3.3.1- Значения аэродинамики при параметрах сетки min size=1мм

Max face size= 70мм, max size=200мм.

Угол	Py, Н	Px, Н	Cy	Cx	S, м2	V, м/с	ρ, кг/м3	k
0⁰	149,85	12,61	0,097	0,008	0,466	75	1,184	11,880
2⁰	246,04	16,44	0,159	0,011				14,966
4⁰	346,68	22,07	0,223	0,014				15,708
6⁰	449,95	30,49	0,29	0,02				14,757
8⁰	547,04	41,09	0,352	0,026				13,313
10⁰	701,61	52,27	0,452	0,034				13,423

Таблица 2.3.3.1- Значения аэродинамики при параметрах сетки min size=1мм

Max face size=50мм, max size=100мм.

Угол	Py, Н	Px, Н	Cy	Cx	S, м2	V, м/с	ρ, кг/м3	k
0⁰	143,5	13,28	0,093	0,009	0,466	75	1,184	10,806
2⁰	246,04	16,44	0,159	0,011				14,966
4⁰	346,68	22,07	0,223	0,014				15,708
6⁰	449,95	30,49	0,29	0,02				14,757
8⁰	547,04	41,09	0,352	0,026				13,313
10⁰	701,61	52,27	0,452	0,034				13,423

При этом погрешности для угла 0⁰ указаны в таблице 2.3.3.2.

Таблица 2.3.3.2- Погрешность определения.

	ΔPy	ΔPx	Δk
Угол 0⁰	6,35	-0,667	1,075
ε, %	4,237	-5,288	9,047

Исходя из таблицы 2.3.3.2 определяем, что для увеличения точности расчета необходимо использовать более мелкую сетку. С параметрами Max face size=50мм, max size=100мм.

Для определения размеров пограничного слоя необходимо построить график скорости по высоте над профилем.

Рисунок 2.3.3.5 - График распределения скоростей на границе профиля

а- теоретические значения скоростей на границе с телом

б- полученные значения скоростей на границе с телом

Исходя из рисунков, можно сказать, что толщина пограничного слоя составляет около 18-12,77=5,23мм, где 12,77мм высота профиля лопасти.

2.3.4 Определение зон размельчения сетки

Исходя из распределения давления в рабочей области, определим зоны размельчения сетки.

Рисунок 2.3.3.1 - Распределение давления в рабочей области.

Рисунок 2.3.3.2 - Зоны разбиения сетки.

Размеры внутренней зоны составляют 625×100×900мм, внешней зоны 1000×400×900мм по внешней стенке и 800×120×900 мм по внутренней.

Размеры ячеек во внутренней области составляет 8мм, во внешней области 12,5 мм. Также было сделано размельчение сетки на поверхности лопасти введением параметра face sizing со значением 2мм. Количество ячеек при расчете составило 8.12 млн.

При таких параметрах значение коэффициента Y+ согласно которому проверяется адекватность модели сетки в местных зонах достигает 66.

Рисунок 2.3.3.3 - Распределение Y+ по профилю лопасти.

 

Y+ - безразмерный параметр характеризирующий пограничный слой, расстояние от первого пограничного слоя до стенки.

Для угла 4⁰ получили следующие данные отображенные в таблице 2.3.3.1.

Таблица 2.3.3.1- Результаты расчета для угла 4⁰.

Расположение	Вид силы	X, Н	Y, Н	Z, Н
Лопасть	Сила давления	-5.231	369,60	-14,299
	Сила сопротивления	-0,031	-0,197	-6.5123
	Суммарная сила	-5,262	369,40	-20,811
	Момент силы	-15,861	-5.8	-125,75
	Момент силы сопротивления	-0,056	-2.481	0,082
	Суммарный момент	-15,918	-8.281	-125,66

Проведем сверку результатов с моделью более крупной сетки.

Размельчение сетки во внутренней области составляет 15 мм, во внешней области 30 мм.

Также было сделано размельчение сетки на поверхности лопасти введением параметра face sizing со значением 5 мм.

Количество ячеек при расчете составило 2.14 млн, что существенно меньше и ускоряет время расчета.

При таких параметрах значение коэффициента Y+ согласно которому проверяется адекватность модели сетки в местных зонах достигает 58.

Рисунок 2.3.3.4 - Распределение Y+ по профилю при более крупной сетке.

Таблица 2.3.3.2- Значения результатов при более крупной сетке.

Расположение	Вид силы	X, Н	Y, Н	Z, Н
Лопасть	Сила давления	-5,037	363,52	-14,373
	Сила сопротивления	-0,025	-0,169	-6,408
	Суммарная сила	-5,062	363,35	-20,780
	Момент силы	-15,919e	-5,79	-123,54
	Момент силы сопротивления	-0,055	-2,429	0,067
	Суммарный момент	-0,16	-8,219	-0,012

Согласно таблиц 2.3.3.1 и 2.3.3.2 погрешность расчетов для подъемной силы составляет

Таким образом погрешность принимает низкие значения и нет необходимости создания слишком мелкой сетки.

Рисунок 2.3.3.5 - Принятая расчетная сетка.

 

2.3.4 Расчет характеристики профиля

Проведем расчет характеристики профиля по построенным моделям для углов от 0⁰ до 16⁰.

Таблица 2.3.4.1- Расчет профиля.

Угол,⁰	X, Н	Y, Н	Cx	Cy	k
0	11,35	171,27	0,0030	0,0446	15,08
2	15,06	260,57	0,0039	0,0679	17,30
4	20,78	363,35	0,0054	0,0947	17,49
6	28,64	469,56	0,0075	0,1223	16,39
8	38,59	566,26	0,0101	0,1475	14,67
10	50,01	666,16	0,0130	0,1736	13,32
12	64,58	768,89	0,0168	0,2003	11,91
14	79,33	840,32	0,0207	10,59
16	96,27	877,96	0,0251	0,2288	9,12

Проведем анализ результатов по характеристикам полученным в ЦАГИ.

Рисунок 2.3.4.1- Аэродинамическое качество профиля

Рисунок 2.3.4.2 - Лобовое сопротивление профиля.

Рисунок 2.3.4.3 - Подъемная сила профиля.

Рисунок 2.3.4.4 - Характеристики профиля по ЦАГИ.

Исходя из рисунков 2.3.4.1-2.3.4.4, можно сказать, что результат имеет погрешность связанную с методикой расчета, введенными допущениями в модель турбулентности, а также самую высокую погрешность связанную с геометрической неточностью профилей, таким образом можно сделать вывод о том, что при проектировании необходимо пользоваться атласами которые имеют большее количество координат профиля (а не 2, как в атласе ЦАГИ).

2.4 Расчет звука

При расчете звука используется 3 модели лопасти. Лопасть без измененной законцовки, лопасть с законцовкой типа линглетта, лопасть с горизонтальной законцовкой. На основе расчета планируется определить влияние изменения конструкции законцовки профиля на аэродинамические характеристики профиля и шум.

При расчете звука используется 3 модели лопасти. Лопасть без измененной законцовки, лопасть с законцовкой типа линглетта, лопасть с законцовкой в горизонтальной плоскости (см.рис.2). На основе расчета планируется определить влияние изменения конструкции законцовки на шум и аэродинамические характеристики профиля. В создании модели применяется профиль рассчитанный ранее. Основные аэродинамические характеристики Сх - коэффициент лобового сопротивления, Су - коэффициент подъемной силы, к - аэродинамическое качество которого приведены в таблице 1.

Таблица 2.4.1- Аэродинамические характеристики профиля полученные в Ansys.

Угол	0⁰	2⁰	4⁰	6⁰	8⁰	10⁰	12⁰	14⁰	16⁰
Cx	0,0029	0,0039	0,0054	0,0075	0,0101	0,0130	0,0168	0,0207	0,0250
Cy	0,0446	0,0679	0,0947	0,1223	0,1475	0,1736	0,2003	0,2189	0,2288
k	15,08	17,30	17,48	16,39	14,67	13,32	11,91	10,59	9,12

Рисунок 1- Профиль лопасти

а- Атлас ЦАГИ, б- Модель в Ansys

На основании данных приведенных в атласе профилей разрабатывается геометрическая модель.

Рисунок 2- Модель лопасти

а-модель с горизонтальной законцовкой, б- типа линглетта.

Расчет шума производится для режима на земле в удалении от вертолета 1, 150 м. Угол установки лопастей принимается 10⁰ исходя из того, что на взлетном режиме на вертолетах он принимает примерно такие значения. Расчет будет проводиться по тому же принципу что и ранее.

Таблица 3- Граничные условия

Среда	воздух
Температура среды	25⁰С
Атмосферное давление	1 атм
Окружная скорость	300 об/мин
Избыточное давление за расчетной областью	0 Па
Высота	0 м

Рисунок 3- Расчетная область.

Расчетная область имеет следующие размеры:

-       Высота 4м

-       Радиус 6м

-       Угол среза боковых поверхностей 30⁰

-       Расстояние от оси до среза боковых поверхностей 2м.

При создании сетки на поверхности лопасти создается пограничный слой принятый равным пограничному слою при расчете аэродинамических характеристик профиля, 5,23 мм, количество слоев n=10 пограничного слоя принимаются из рекомендаций источника [4].

Размельчение сетки происходило по зонам большей площади, 160×900мм по внутренней области, 800×3000мм по внешней области, при этом было принято решение увеличить глубину размельчения до 2000мм в связи с добавлением законцовок.

Рисунок 2.4.2 - Зоны размельчения сетки

Исходя из соображений скорости расчета размеры ячеек были увеличены.

Рисунок 2.4.3 - Размеры общей сетки

Рисунок 2.4.4- Размер сетки внутренней области.

Рисунок 2.3.5- Размер сетки внешней области.

Рисунок 2.3.6- Размер пограничного слоя.

Общее количество ячеек составило 1900 тысяч. В ходе расчета были получены частота звука вращения, уровень звукового давления.

Рисунок 5- График изменения звука различных лопастей в удалении 1м.

Рисунок 6- График изменения звука различных лопастей в удалении 150м.

Исходя из рисунков необходимо отметить, что изменение конструкции дало как положительное влияние на уровень звука вертолета, шум лопасти с законцовкой типа линглетта понизился, так и отрицательное, шум лопасти с горизонтальной законцовкой повысился.

3. Анализ аэродинамики

Для определения влияния на аэродинамические характеристики проведем сравнение для трех лопастей по подъемной силе, распределению скоростей, турбулентности.

Таблица 3.1- Силы действующие на лопасть без законцовки

Расположение	Вид силы	X, Н	Y, Н	Z, Н
Лопасть	Сила давления	2,72	-115,56	7,69
	Сила сопротивления	1,16	-0,24	0,17
	Суммарная сила	3,88	-115,81	7,53
	Момент силы	4,86	20,24	84,63
	Момент силы сопротивления	0,00	-0,48	0,26
	Суммарный момент	4,87	19,76	84,89

Таблица 3.2- Силы действующие на лопасть с законцовкой типа линглетта.

Расположение	Вид силы	X, Н	Y, Н	Z, Н
Лопасть	Сила давления	-12,58	120,53	0,33
	Сила сопротивления	-0,46	0,16	-0,03
	Суммарная сила	-13,04	120,69	0,30
	Момент силы	-10,73	-8,21	-147,84
	Момент силы сопротивления	-0,01	-1,15	-0,02
	Суммарный момент	-10,74	-9,36	-147,86

Таблица 3.3- Силы действующие на лопасть с горизонтальной законцовкой

Расположение	Вид силы	X, Н	Y, Н	Z, Н
Лопасть	Сила давления	2,35	154,08	-15,03
	Сила сопротивления	-1,02	-0,10	-2,60
	Суммарная сила	-3,37	153,98	-17,63
	Момент силы	-9,82	-27,67	-200,17
	Момент силы сопротивления	-0,04	-4,52	0,23
	Суммарный момент	-9,86	-32,19	-199,93

Как видно из таблиц 3.1-3.3 изменение законцовок профилей сильно повлияло на силы действующие на лопасти, при этом на лопасть без законцовок действует «-» сила по оси Y, что скорее всего связано с образованием обратных течений за лопастью см. рис 3.1.

Картины обтекания лопасти полученные при изменении законцовки (см.рис.3.1-3.5) показывают воздействие геометрического изменения профиля лопасти на аэродинамические характеристики, можно заметить что с изменением законцовки картина обтекания координально меняется, что говорит о необходимости проведения дополнительных исследований в области аэродинамики и изменения конструкции законцовки лопасти.

Рисунок 3.1- вектора скоростей за лопастью без законцовки.

Рисунок 3.2 - Вектора скоростей за лопастью с законцовкой типа линглетта

Рисунок 3.3- Вектора скоростей за лопастью с горизонтальной законцовкой

Рисунок 3.4- Распределение скоростей в плоскости ZX для лопасти без законцовки.

Рисунок 3.4- Распределение скоростей в плоскости ZX для лопасти с горизонтальной законцовкой.

Рисунок 3.5- Распределение скоростей в плоскости ZX для лопасти с законцовкой типа линглетта.

Выводы

В ходе работы определен принцип и порядок расчета в программе ANSYS CFX, определены аэродинамические характеристики профиля, была создана модель расчета вращения лопасти, проведен расчет на звук для трех видов лопастей: без законцовки, с законцовкой типа линглетта, горизонтальной законцовкой, проведен анализ аэродинамики этих лопастей.

Лопасть без законцовки имеет средний уровень шума, аэродинамические характеристики этой лопасти при вращении низкие, подъемная сила отрицательная, возможно необходимо применения крутки лопасти.

Лопасть с законцовкой типа линглетта имеет самый низкий уровень шума, при этом аэродинамические характеристики его средние, подъемная сила создаваемая этой лопастью несколько ниже чем от лопасти с горизонтальной законцовкой, что возможно вызвано большей площадью второй.

Лопасть с горизонтальной законцовкой создает наибольший уровень шума, при этом подъемная сила имеет также наибольшее значение, что возможно вызвано большей площадью лопасти.

Таким образом необходимо в дальнейшем исследовать лопасть и конструкцию законцовки для определения оптимальной, также следует отметить, что исследование проводилось на шум вращения лопастей, вихревой шум и шум хлопков лопастей не учитывался.

Список литературы

1. Джонсон У. Теория вертолета: В 2-х книгах. Пер. с англ.- М.: Мир, 1983. - (Авиационная и ракетно-космическая техника). Кн. 2. 1024 с,

. Авиационная акустика: Сборник работ .- М. : ЦАГИ, 1978 .- 67с. ; 25см. - (ЦАГИ.Труды; Вып.1902).- 70к.

. Авиационная акустика : Сборник работ .- М.: ЦАГИ, 1979 .- 100 с. ; 26 см. - (ЦАГИ.Труды; Вып.2000).- 1.03

. Ansys CFX- Solver Modeling Guide. 483с