为什么跨音速流需要特殊的模拟技术？
在流体动力学中，介质中的声速是最重要的参数之一。声速马赫 1 标志着流动行为的一个尖锐阈值，过渡区域（通常为 0.8 马赫到 1.2 马赫）被称为跨音速区域。跨音速流的特点包括高压缩性、高得多的阻力和冲击波的形成。客机通常以 0.8 马赫或以上的速度巡航，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特性至关重要。
计算流体动力学 (CFD) 可用于模拟飞机等物体周围的气流。存在用于模拟亚音速（低于马赫 0.8）和超音速（高于马赫 1.2）流动的成熟方法。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获 1 马赫左右及以上的流动行为，而能够模拟高压缩流动的方法则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高效地模拟跨音速流，SIMULIA PowerFLOW引入了一种专门为跨音速区域设计的新混合模拟方法。
图 1：单极子的声学方向性，将解析解与纯跨音速 (TS) 模拟和混合高亚音速/跨音速 (HS/TS) 模拟进行比较。由于耗散减少，混合仿真显示出更好的结果。
SIMULIA PowerFLOW 中的跨音速仿真
SIMULIA PowerFLOW 是一款行业领先的 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 使用格子玻尔兹曼法 (LBM) 技术和超大涡模拟 (VLES)。LBM 是一种高效、准确的方法，用于模拟大型复杂几何形状周围的流动。
LBM 有不同的公式用于模拟不同类型的流动。弱可压缩的高亚音速（HS）流可以用单层晶格模型来模拟，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。
为了有效模拟跨音速流，PowerFLOW 最近引入了一种新的混合求解器方法。仅在具有高速 TS 流的特定区域中使用具有高阶多层晶格的 TS 求解器，而在包含低速流的模拟域的其余部分中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、动量和能量守恒，并在固定和旋转参考系和网格之间提供精确的流动过渡。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以及完整 TS 求解器仿真的结果一致（图 2 和 3），且计算成本低得多。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“用于模拟高速流的混合格子玻尔兹曼方法”。
图 2：用于验证的 ONERA M6 机翼模型（左），显示 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 (C p )。
跨音速流混合模拟的应用
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要关注点。由于噪音而遭到当地社区的反对，通常会导致机场受到限制，例如减少运营时间或对某些飞机进行限制。精心的设计可以降低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，混合仿真有助于准确有效地对其进行模拟。这种混合方法非常有用的一个例子是分析飞机上的空腔。空腔（例如管道或其他开口）内的共振会产生显着的噪音，还会引起振动，从而导致疲劳失效。
由于局部超音速和亚音速流，整个模拟域的马赫数可能会有很大变化。腔体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由冲击引起的抖振。这是一种本质上的跨音速现象，需要模拟亚音速和超音速流动。冲击引起的抖振的模拟结果与标准基准的实验数据非常吻合。有关更多信息，请参阅已发表的论文“使用基于格子-玻尔兹曼的跨音速求解器进行巴菲特模拟”。
另一个应用是涡轮风扇发动机噪音。发动机内的风扇叶尖全速时可达到或超过 1.0 马赫。风扇叶片的方向、位置和几何形状的微小变化都会破坏气流的对称性。这会导致发动机内部产生干扰，当叶片尖端达到声波条件时，分谐波分量会以多重纯音 (MPT) 的形式从发动机进气口辐射出来——也称为嗡嗡声。
模拟嗡嗡声需要对整个发动机进行建模，风扇叶片会随机变化。使用跨音速求解器，作为 NASA 研究公告项目的一部分，我们首次能够模拟跨音速圆锯噪声。要了解有关该项目的更多信息，请参阅我们的论文“使用格子-玻尔兹曼方法在跨音速操作条件下进行风扇音调和宽带噪声模拟”。
结论
模拟跨音速域中的气流（例如，以 0.85 马赫运行的飞机和发动机周围的气流）可能具有挑战性。通常存在亚音速和超音速流区域，最好通过不同的方法来解决。PowerFLOW 提供混合仿真方法，划分仿真域，以便可以对流程的每个部分使用最佳方法。PowerFLOW 方法确保模拟体积之间的界面保存质量、能量和动量，并提供准确的流动过渡。这使得混合求解器准确且稳健，同时还减少了所需的计算成本和仿真时间。已发表的文章显示 PowerFLOW 混合求解器与标准基准测试的实验数据非常一致。
