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【特别报道】——“天河三号”原型机助力螺旋桨流动噪声设计


气动声学和流动噪声是流体力学和声学的交叉学科,主要致力于研究流动声源发声与传播的物理机制,进而提出控制方案来解决噪声辐射问题。

在螺旋桨与来流湍流结构之间通过交互和耦合的发声问题上,可能的具体应用“小”到人们日常生活中的个人电脑散热风扇噪声,“大”到航空发动机风扇噪声,“轻”如空中四旋翼无人机噪声,“重”到水中装备的声学隐身。从超大规模计算角度看,螺旋桨流动噪声数值计算需要精确模拟多个时空尺度下的湍流结构和宽频流动声源的耦合发展及演化,同时需要考虑复杂几何外形和移动网格。

为解决航空航海领域的流动噪声问题,近日,国家超级计算天津中心用户北京大学黄迅课题组基于“天河三号”原型机,根据航空和航海中若干实际应用的的流动降噪需求,提炼核心科学问题并抽象出力学模型,发展相应的气动声学计算格式和计算模式,为后续开展更精细计算和揭示螺旋桨和来流湍流结构耦合后的发展、演化与发声物理机制奠定了基础,所取得的研究成果发表于《Journal of Fluid Mechanics》等学术期刊。

应用成果

黄迅课题组基于“天河三号”原型机,系统分析了自主气动声学计算软件在其上的计算和通讯代价,以及并行运算效率,并针对某四旋翼无人机代表性工况,模拟和揭示了螺旋桨之间的流场结构及其相互耦合。

四旋翼无人机流场结构

该课题组发展理论模型和计算工具来模拟航空发动机风扇噪声和合成湍流来流下的机翼前缘噪声,为下一步大规模直接流场模拟和气动声学计算提供校验工具。

航空发动机风扇噪声场和湍流来流所激发的机翼气动噪声场

同时,结合大涡模拟和声比拟方法,该课题组揭示了某特定湍流网所诱导湍流结构及其与某水中装备的螺旋桨之间耦合发声的物理机制,帮助引导和校验同步进行中的水洞实验,为我国水中重大装备的研制提供数值计算工具,并发展面向声学隐身问题的数值设计和优化能力。

湍流网诱导的湍流结构与水中某螺旋桨交互发声的大规模流场结构

下一步,该课题组将基于“天河三号”原型机,开展近万核心的大规模计算研究,从而实现更精细计算,以及揭示螺旋桨和来流湍流结构耦合后的发展、演化与发声物理机制。

上述研究工作得到了国家自然科学基金湍流重大研究计划重点项目的支持。相关成果的计算工作得到了国家超级计算天津中心的大力支持。