Учебная работа. Расчет акустики в Ansys CFX

Учебная работа. Расчет акустики в Ansys CFX

Введение
Глобальная тенденция по повышению удобства воздушной техники диктует новейшие правила, сейчас техника обязана не попросту летать — а летать экономно, создавая при всем этом как можно меньше неудобств для человека. Одним из основных причин создающих дискомфорт является шум, при величине выше 80 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) считается вредным для человека.
Аэрошумы можно поделить 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 (либо широкополосный) шум, шум вращения лопастей и хлопки лопастей. Хотя различие меж этими составляющими не настолько велико, как это сначала кажется, таковая систематизация полезна для представления результатов.
Создание малошумного и действенного винта очень суровая неувязка, потому что эти два признака обычно стоят врознь друг другу. Для разработки таковых винтов нужного употреблять новейшие материалы либо же конструкторские идеи.
1.Теоретическое обоснование звука

Хотя вертолет является самым малошумящим летательным аппаратом вертикального взлета, уровень вызываемого им шума все таки довольно высок. Это может стать значимым недочетом вертолета, если в процессе проектирования не принять особых мер по понижению шума. Так как требования в отношении уровня шума летательных аппаратов стают все наиболее твердыми, исследование звукоизлучения несущего винта в процессе проектирования вертолета приобретает принципиальное вкупе с лопастями, также конфигурацией высокочастотных составляющих этих сил. В области больших частот наблюдается расширение спектральных линий, что соединено со случайными переменами характеристик течения, а именно с флуктуациями нагрузок, возникающих под воздействием вольных вихрей. Акустическое давление меняется по времени в главном с периодом n/NQ, при этом появляются резкие пики давления, связанные с местными аэродинамическими явлениями, к примеру проявлениями сжимаемости и вызываемыми вихрями переменами нагрузок. В составе излучаемого несущим винтом шума различают вихревой (либо широкополосный) шум, шум вращения лопастей и хлопки лопастей. Хотя различие меж этими составляющими не настолько велико, как это сначала кажется, таковая систематизация полезна для представления результатов.
Вихревой, либо широкополосный, шум представляет собой частотный свистящий звук, частоты и амплитуды которого модулированы повторяющимся сигналом, имеющим частоту прохождения лопастей. Этот шум носит случайный нрав и связан со случайными переменами нагрузок на лопастях. Энергия такового шума распределена по значимой части диапазона слышимых частот, которая для несущего винта занимает приблизительно от 150 до 1000 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) с максимумом около 300— 400 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ). (необходимо подчеркнуть что спектр слышимости для человека составляет 100-20000 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) с максимумом восприятия на частоте 1000 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)) Вихревой шум несущего винта вызван в главном случайными переменами подъемной силы вследствие прохождения лопасти в турбулентном следе. Необыкновенную роль в его разработке играют концевые вихри. Посреди остальных источников вихревого шума можно именовать изменение сил на лопасти вследствие сходящих с задней кромки поперечных вихрей, турбулентности набегающего потока, также отрыва и турбулентности пограничного слоя. (Отметим, что само заглавие «вихревой шум» отражает первоначальную теорию его связи с дорожкой поперечных вихрей, схожей образующейся, при обтекании цилиндра. Максимум интенсивности шума вращения попадает на очень низкие частоты, так что несколько низких гармоник могут совершенно не попадать в слышимый спектр. Таковым образом, если шум вращения превалирует, то это не самый противный для восприятия вариант. С учетом восприятия преобладающим нередко оказывается вихревой шум.

Набросок 1.1 — Диапазон шума несущего винта

Шум вращения определяется чисто повторяющимся конфигурацией акустического давления, создаваемого повторяющимся силовым действием лопастей на воздух. Диапазон такового шума состоит из дискретных линий частот, кратных частоте NQ прохождения лопастей. Шум вращения преобладает в низкочастотной части диапазона и в случае несущего винта соответствует частотам от невоспринимаемых. Шум вращения может вызвать вибрации конструкций вертолета и усталостные повреждения. Не считая того, низкочастотный шум отлично распространяется в атмосфере, тогда как высочайшие гармоники резвее затухают по удалении от вертолета. Потому на огромных расстояниях от вертолета хлопки лопастей и шум вращения несущего винта имеют наибольшее

Шум измеряется в особых единицах — децибелах (дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)), определяемых соотношением

1дБ=10lg

Логарифмическая шкала употребляется поэтому, что она лучше отражает различия в порядках величин звуковых сигналов и характеристики слуха реагировать на шум пропорционально логарифму его мощности. Интенсивность потока акустической энергии в данной точке поля определяется величиной

где р— возмущение давления, а — скорость возмущенного движения среды. Секундное площади. В далеком поле возмущенные скорость и давление соединены соотношением так что интенсивность потока энергии определяется выражением

где — скорость звука, — среднее давления. Органы слуха и система летательного аппарата реагируют на отклонение величины давления от атмосферного. Потому шум охарактеризовывают уровнем звукового давления SPL (Sound Pressure Level), измеряемым в децибелах по отношению к эталонному давлению SPL=20lg.

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

аэродинамический лопасть звук законцовка

2.Расчет звука

2.1 Выбор способа расчета
Для расчета звука как видно из главы 1 нужно иметь эмпирические данные, приобретенные из опытов продувки. процесс продувки весьма дорогостоящий, потому было принято решение употреблять программку моделирующую все эти процессы.
одной из таковых программ является Ansys и ее модуль CFX.
Ansys — программный комплекс использующий способ конечных частей для ведения расчетов.
CFX— модуль программного комплекса ANSYS включающий в себя расчет аэродинамических черт.

2.2 Выбор профиля лопасти
Для ведения расчета выбирается из атласа профилей профиль модификация ClarkY-15, свойства которого указаны в таблице 2.2.1. Выбор обусловлен тем, что профиль довольно прост и не вызовет затруднений при его моделировании в 3D.
Таблица 2.2.1 — свойства профиля Модификация Clark Y-15

Наибольшая толщина

Толщина на 15% хорды

Толщина на 70% хорды

Размер модели

Kmax

Cymax

Cxmin

Cm0

10,0%

9.1%

6,2%

300Ч1500 мм

20,7

0,675

0,0046

0,024

При всем этом Kmax-максимальное аэродинамическое свойство профиля, Cymax — наибольший коэффициент подъемной силы, Cxmin— коэффициент малого лобового сопротивления, Cm0— Cy=0.

Набросок 2.2.1- График конфигурации подъемной силы крыла от угла атаки
Набросок 2.2.2- Профиль лопасти
Как видно из рис.2.2.2 моделируемый профиль имеет сходство но не схож с профилем ЦАГИ таковым образом можно отметить, что это будет создавать некую погрешность расчета

2.3 Расчет профиля лопасти
2.3.1 Определение расчетной области
В связи с недочетом данных по звуку проведем анализ обтекания лопасти в Ansys CFX,для того чтоб найти точность модели и объекты её доработки, при всем этом будет моделироваться опыт по продувке профиля ClarkY-15 в аэродинамической трубе Т-1 находящейся в ЦАГИ.
Геометрические свойства лопасти указаны в таблице 2.2.1.
Расчетная область выбрана согласно аэродинамической трубы Т-1 применяемой ЦАГИ.
Таблица 2.3.1.1 — Геометрия расчетной области

Длина

Радиус

6 м

3 м

2.3.2 Определение граничных критерий
Как было сказано ранее Ansys CFX основан на способе конечных частей, т.е для решения уравнений нужно вводить граничные условия( для того чтоб уравнения были определимые), а конкретно условие на входе и на выходе из расчетной области, характеристики среды.
Составив условия для расчета занесем их в таблицу 2.3.2.1 при всем этом нужно управляться атласом и методическими пособиями по ANSYS.
Таблица 2.3.2.1- Граничные условия

Среда

воздух

температура среды

25?С

Атмосферное давление

1 атм

Скорость потока

75 м/с

Лишнее давление за расчетной областью

0 Па

Высота

0 м

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

Набросок 2.3.2.1- Расчетная область
На рис 2.3.2.1 изображена расчетная область.
В центре, сначала координат размещен профиль лопасти. Для убыстрения расчета моделируется лишь половина трубы и лопасти относительно плоскости симметрии, что также уменьшает применяемые программкой ресурсы вдвое.
2.3.3 Создание сетки и расчет
При разработке сетки учитываются характеристики 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).
Набросок 2.3.3.1-характеристики общей сетки.

Набросок 2.3.3.2- Меню определения сетки.
Набросок 2.3.3.3- Создание местного разбиения сетки.
Набросок 2.3.3.4 — Определение пограничного слоя.
При определении хороших размеров общей сетки проведем расчет при различных ее значениях с поочередным снижением размеров сетки, повышением 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

с, кг/м3

k

0?

149,85

12,61

0,097

0,008

0,466

75

1,184

11,880

2?

246,04

16,44

0,159

0,011

14,966

4?

346,68

22,07

0,223

0,014

15,708

6?

449,95

30,49

0,29

0,02

14,757

8?

547,04

41,09

0,352

0,026

13,313

10?

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

с, кг/м3

k

0?

143,5

13,28

0,093

0,009

0,466

75

1,184

10,806

2?

246,04

16,44

0,159

0,011

14,966

4?

346,68

22,07

0,223

0,014

15,708

6?

449,95

30,49

0,29

0,02

14,757

8?

547,04

41,09

0,352

0,026

13,313

10?

701,61

52,27

0,452

0,034

13,423

При всем этом погрешности для угла 0? указаны в таблице 2.3.3.2.
Таблица 2.3.3.2- Погрешность определения.

ДPy

ДPx

Дk

Угол 0?

6,35

-0,667

1,075

е, %

4,237

-5,288

9,047

Исходя из таблицы 2.3.3.2 определяем, что для роста точности расчета нужно употреблять наиболее маленькую сетку. С параметрами Max face size=50мм, max size=100мм.
Для определения размеров пограничного слоя нужно выстроить график скорости по высоте над профилем.

Набросок 2.3.3.5 — График распределения скоростей на границе профиля
а- теоретические значения скоростей на границе с телом
б- приобретенные 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.
Набросок 2.3.3.1 — Распределение давления в рабочей области.

Набросок 2.3.3.2 — Зоны разбиения сетки.
размеры внутренней зоны составляют 625Ч100Ч900мм, наружной зоны 1000Ч400Ч900мм по наружной стене и 800Ч120Ч900 мм по внутренней.
размеры ячеек во внутренней области составляет 8мм, во наружной области 12,5 мм. Также было изготовлено размельчение сетки на поверхности лопасти введением параметра face sizing со значением 2мм. количество ячеек при расчете составило 8.12 млн.
При таковых параметрах Y+ согласно которому проверяется адекватность модели сетки в местных зонах добивается 66.
Набросок 2.3.3.3 — Распределение Y+ по профилю лопасти.
Y+ — безразмерный параметр характеризирующий пограничный слой, расстояние от первого пограничного слоя до стены.
Для угла 4? получили последующие данные отображенные в таблице 2.3.3.1.
Таблица 2.3.3.1- Результаты расчета для угла 4?.

Размещение

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 наиболее большой сетки.
Размельчение сетки во внутренней области составляет 15 мм, во наружной области 30 мм.
Также было изготовлено размельчение сетки на поверхности лопасти введением параметра face sizing со значением 5 мм.
количество ячеек при расчете составило 2.14 млн, что значительно меньше и ускоряет время расчета.
При таковых параметрах значение коэффициента Y+ согласно которому проверяется адекватность модели сетки в местных зонах добивается 58.
Набросок 2.3.3.4 — Распределение Y+ по профилю при наиболее большой сетке.
Таблица 2.3.3.2- значения результатов при наиболее большой сетке.

Размещение

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
Таковым образом погрешность воспринимает низкие значения и нет необходимости сотворения очень маленькой сетки.
Набросок 2.3.3.5 — Принятая расчетная сетка.
2.3.4 Расчет свойства профиля
Проведем расчет свойства профиля по построенным моделям для углов от 0? до 16?.
Таблица 2.3.4.1- Расчет профиля.

Угол,?

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

0,2190

10,59

16

96,27

877,96

0,0251

0,2288

9,12

Проведем анализ результатов по чертам приобретенным в ЦАГИ.
Набросок 2.3.4.1- Аэродинамическое свойство профиля
Набросок 2.3.4.2 — Лобовое сопротивление профиля.

Набросок 2.3.4.3 — Подъемная сила профиля.
Набросок 2.3.4.4 — свойства профиля по ЦАГИ.
Исходя из рисунков 2.3.4.1-2.3.4.4, можно сказать, что итог имеет погрешность связанную с методикой расчета, введенными допущениями в модель турбулентности, также самую высшую погрешность связанную с геометрической некорректностью профилей, таковым образом можно прийти к выводу о том, что при проектировании нужно воспользоваться атласами которые имеют большее количество координат профиля (а не 2, как в атласе ЦАГИ).
2.4 Расчет звука

При расчете звука употребляется 3 модели лопасти. Лопасть без модифицированной законцовки, лопасть с законцовкой типа линглетта, лопасть с горизонтальной законцовкой. На базе расчета планируется найти воздействие конфигурации конструкции законцовки профиля на аэродинамические свойства профиля и шум.
При расчете звука употребляется 3 модели лопасти. Лопасть без модифицированной законцовки, лопасть с законцовкой типа линглетта, лопасть с законцовкой в горизонтальной плоскости (см.рис.2). На базе расчета планируется найти воздействие конфигурации конструкции законцовки на шум и аэродинамические свойства профиля. В разработке модели применяется профиль рассчитанный ранее. Главные аэродинамические свойства Сх — коэффициент лобового сопротивления, Су — коэффициент подъемной силы, к — аэродинамическое свойство которого приведены в таблице 1.
Таблица 2.4.1- Аэродинамические свойства профиля приобретенные в Ansys.

Угол

0?

2?

4?

6?

8?

10?

12?

14?

16?

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

Набросок 1- Профиль лопасти
а- Атлас ЦАГИ, б- Модель в Ansys
На основании данных приведенных в атласе профилей разрабатывается геометрическая модель.
Набросок 2- Модель лопасти
а-модель с горизонтальной законцовкой, б- типа линглетта.
Расчет шума делается для режима на земле в удалении от вертолета 1, 150 м. Угол установки лопастей принимается 10? исходя из того, что на взлетном режиме на вертолетах он воспринимает приблизительно такие значения. Расчет будет проводиться по тому же принципу что и ранее.
Таблица 3- Граничные условия

Среда

воздух

температура среды

25?С

Атмосферное давление

1 атм

Окружная скорость

300 о/мин

Лишнее давление за расчетной областью

0 Па

Высота

0 м

Набросок 3- Расчетная область.
Расчетная область имеет последующие размеры:

— Высота 4м

— Радиус 6м

— Угол среза боковых поверхностей 30?

— Расстояние от оси до среза боковых поверхностей 2м.

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

Размельчение сетки происходило по зонам большей площади, 160Ч900мм по внутренней области, 800Ч3000мм по наружной области, при всем этом было принято решение прирастить глубину размельчения до 2000мм в связи с добавлением законцовок.

Набросок 2.4.2 — Зоны размельчения сетки

Исходя из суждений скорости расчета размеры ячеек были увеличены.

Набросок 2.4.3 — размеры общей сетки

Набросок 2.4.4- Размер сетки внутренней области.

Набросок 2.3.5- Размер сетки наружной области.

Набросок 2.3.6- Размер пограничного слоя.

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

Набросок 5- График конфигурации звука разных лопастей в удалении 1м.

Набросок 6- График конфигурации звука разных лопастей в удалении 150м.

Исходя из рисунков нужно отметить, что изменение конструкции отдало как положительное воздействие 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 воздействия на аэродинамические свойства проведем сопоставление для 3-х лопастей по подъемной силе, распределению скоростей, турбулентности.

Таблица 3.1- Силы действующие на лопасть без законцовки

Размещение

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.

Размещение

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

Размещение

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 очень воздействовало на силы действующие на лопасти, при всем этом на лопасть без законцовок действует «-» сила по оси Y, что быстрее всего соединено с образованием оборотных течений за лопастью см. рис 3.1.

Картины обтекания лопасти приобретенные при изменении законцовки (см.рис.3.1-3.5) демонстрируют действие геометрического конфигурации профиля лопасти на аэродинамические свойства, можно увидеть что с конфигурацией законцовки картина обтекания координально изменяется, что гласит о необходимости проведения доп исследовательских работ в области аэродинамики и конфигурации конструкции законцовки лопасти.

Набросок 3.1- вектора скоростей за лопастью без законцовки.

Набросок 3.2 — Вектора скоростей за лопастью с законцовкой типа линглетта

Набросок 3.3- Вектора скоростей за лопастью с горизонтальной законцовкой

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

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

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

Выводы

В процессе работы определен принцип и порядок расчета в программке ANSYS CFX, определены аэродинамические свойства профиля, была сотворена модель расчета вращения лопасти, проведен расчет на звук для 3-х видов лопастей: без законцовки, с законцовкой типа линглетта, горизонтальной законцовкой, проведен анализ аэродинамики этих лопастей.

Лопасть без законцовки имеет средний уровень шума, аэродинамические свойства данной нам лопасти при вращении низкие, подъемная сила отрицательная, может быть нужно внедрения крутки лопасти.

Лопасть с законцовкой типа линглетта имеет самый маленький уровень шума, при всем этом аэродинамические свойства его средние, подъемная сила создаваемая данной нам лопастью несколько ниже чем от лопасти с горизонтальной законцовкой, что может быть вызвано большей площадью 2-ой.

Лопасть с горизонтальной законцовкой делает больший уровень шума, при всем этом подъемная сила имеет также наибольшее

Таковым образом нужно в предстоящем изучить лопасть и систему законцовки для определения хорошей, также необходимо подчеркнуть, что исследование проводилось на шум вращения лопастей, вихревой шум и шум хлопков лопастей не учитывался.

Перечень литературы

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

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

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

4. Ansys CFX- Solver Modeling Guide. 483с

]]>