بررسی اثر مدل‌های مقیاس زیرشبکه در روش LES بر شکل گردابه‌ها و محاسبه صوت منتشر شده با استفاده از معادله فاکس ویلیامز-هاوکینز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ملایر

2 کارشناسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ملایر

چکیده

مدل‌های زیرشبکه برای پیش‌بینی اثر گردابه‌های کوچک در روش LES به‌کار می‌روند و عملکرد آنها در محاسبه تنش رینولدز و انتقال انرژی جنبشی تلاطم به شبکه دارای اهمیت است. در این مقاله به بررسی تأثیر مدل‌های زیرشبکه بر محاسبات صوت آیرودینامیکی پرداخته شده است. بدین منظور از پنج نوع مدل زیرشبکه مختلف شامل Smagorinsky-Lilly، WMLES،WMLES S-Omega ، WALE و KET استفاده شده است. قبل از اعتبارسنجی آکوستیکی، همگرایی آماری هر روش با استفاده از ضرایب آیرودینامیکی برآ، پسا و فشار مورد بررسی قرار گرفته، و مدل WMLES S-Omega به علت ناپایداری کنار گذاشته شده است. نتایج به‌دست آمده برای سطح فشار صوت با استفاده از داده‌های گزارش شده حاصل از تونل باد ناسا اعتبارسنجی شده است. اعتبارسنجی در باند یک سوم اکتاو و فرکانس پانصد تا هشت هزار هرتز صورت گرفته است. مطالعه الگوی جریان بیانگر تفاوت در پیش‌بینی محل جدایش و مقیاس طولی گردابه‌ها در مدل‌های مختلف است که تأثیر زیادی بر نتایج آیروآکوستیکی و آیرودینامیکی دارد. براساس نتایج به‌دست آمده مدل WALE از نظر مقدار صوت و روند تغییرات آن در فرکانس‌های مختلف بهترین دقت را در بین مدل‌های زیرشبکه ارائه نموده است.


 


 

 
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of SGS models in the LES method on the shape of eddies and calculating the emitted sound by implementing the Ffowcs Williams–Hawkings equation

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Kaviani 1
  • Ehsan Bashtalam 2
1 Assistant Professor, Mechanical Engineering Department. Malayer University
2 Mechanical Engineering Department, Malayer University
چکیده [English]

Subgrid models are employed to predict the effect of small eddies in the LES method, and their performance is important in calculating the Reynolds stress and transferring the kinetic energy of turbulence to the grid. In this paper, the effect of sub-grid scale models in the LES method on the calculation of aerodynamic sound is investigated. For this purpose, five different sub-grid scale models including Smagorinsky-Lilly, WMLES, WMLES S-Omega, WALE, and KET have been used. First, the statistical convergence of computational methods has been investigated by employing aerodynamic coefficients, and the WMLES S-Omega model has been discarded due to aerodynamic instability. The near-wall flow study reveals models’ differences in the prediction of separation location and length-scale of vortices, which has changed the flow pattern. Aeroacoustic results obtained for the sound pressure level in the one-third octave band are validated using experimental data for the Naca-0012 3D airfoil. Based on the obtained results, the WALE model has presented the best approximation among different models in terms of the amount and trend of sound changes in different frequencies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Aeroacoustics
  • LES
  • Sub-grid scale
  • Ffowcs Williams&ndash؛ Hawkings

مراجع

[1] م. لشگری، "تحلیل آزردگی صوتی با استفاده از معیارهای کیفیت صدا"، مجله علمی صوت و ارتعاش، 1395، دوره 5، ش. 10، صص. 116-107
[2] م. عباسی، م. منظم، و آ. اکبرزاده، "مطالعة اثر صدای توربین‌های بادی بر آزردگی صوتی شاغلان نیروگاه بادی منجیل"،  مجله علمی صوت و ارتعاش، 1394، دوره 4، ش.7، صص. 13-3.
[3] م. شادروان, م. محمودی, and و ح. نورشاد, "فناوری‌های کاهش میزان سروصدای هواپیما نمونه با موتور توربوفن"، مجله علمی صوت و ارتعاش, 1398، دوره 8، ش. 15، صص.43-29.
[4] م. شیخی ، م. خیری امناب، "بررسی دو نوع چیدمان صداگیر در مقابل فن کانال تهویة هوا به‌کمک شبیه‌سازی نرم‌افزاری"، مجله علمی صوت و ارتعاش، 1392، دوره 2، ش 4، صص. 50-43.
[5] م. رومی‌پور، ر. ا. خوشخو، "بررسی نویز اختلاط جریان های سرد و گرم در میکسر کنگره دار یک موتور توربوفن با کنارگذر بالا به روش ویلیام هاوکینگز" مجله علمی صوت و ارتعاش، 1400،.دوره 10، ش. 20، صص. 188-174.
[6] ر. گلمحمدی، "شاخص‌های پیش بینی صدا در اماکن بسته متداول"، مجله علمی صوت و ارتعاش،1401، دوره 11، ش.22، صص.37-31.
[7] Deng, Guang C., Satoshi Baba, Philippe Lavoie, and Stephane Moreau, "Computational and experimental aeroacoustics of an isolated supercritical wingtip model", In AIAA SCITECH 2023 Forum, 2023, p.1158.
[8] ا. عزت‌نشان، "محاسبه نویز حول هندسه‌های دوبعدی ایرفویل با استفاده از یک روش تئوری کارآمد"، مجله علمی صوت و ارتعاش، 1399، دوره 9، ش 18، صص.128-115
[9] Piwowarski, Marian, and Damian Jakowski, "Areas of Fan Research—A Review of the Literature in Terms of Improving Operating Efficiency and Reducing Noise Emissions", Energies, 2023, Vol.16, no.3, p.1042.
[10] Duben, Alexey P., Jesús Ruano, Andrey V. Gorobets, Joaquim Rigola, and F. Xavier Trias, "Evaluation of Enhanced Gray Area Mitigation Approaches Based on Jet Aeroacoustics", AIAA journal, 2023, Vol.61, no.2, pp.612-625.
[11] Salvetti, Maria Vittoria, Vincenzo Armenio, Jochen Fröhlich, Bernard J. Geurts, and Hans Kuerten, eds., “Direct and large-eddy simulation Xi”, Springer International Publishing, 2019.
[12] Modi, Rishit, Mohammad A. Alhawwary, Amir Akbarzadeh, Freddie Witherden, and Antony Jameson, "Aeroacoustics noise prediction for the airfoil-rod benchmark using high-order large eddy simulation on unstructured grids and the acoustic analogy approach in frequency-domain", In AIAA SCITECH 2023 Forum, 2023, p.0978.
[13] Lighthill, Michael James, "On sound generated aerodynamically I. General theory", Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 1952, Vol.211, no.1107, pp.564-587.
[14] Kaviani, Hamid R., and Amir Nejat, "Investigating the aeroelasticity effects on aeroacoustics and aerodynamics of a MW-class HAWT", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2021, Vol.213, p.104617.
[15] Kaviani, H. R., and A. Nejat, "Aerodynamic noise prediction of a MW-class HAWT using shear wind profile", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2017, Vol.168, pp.164-176.
[16] Martínez, J., Federico Piscaglia, Andrea Montorfano, Angelo Onorati, and S. M. Aithal, "Influence of spatial discretization schemes on accuracy of explicit LES: Canonical problems to engine-like geometries", Computers & Fluids, 2015, Vol.117, pp.62-78.
[17] Tavoularis, S., and U. Karnik, "Further experiments on the evolution of turbulent stresses and scales in uniformly sheared turbulence", Journal of Fluid Mechanics, 1989, Vol.204, pp.457-478.
[18] Rumsey, Christopher L., “Exploring a Method for Improving Turbulent Separated-Flow Predictions with Kappa-Omega Models”, 2009, no.L-19779.
[19] Tucker, Paul G., “Unsteady computational fluid dynamics in aeronautics”, Springer Science & Business Media, 2013, Vol.104.
[20] Piomelli, Ugo, Joel Ferziger, Parviz Moin, and John Kim, "New approximate boundary conditions for large eddy simulations of wall‐bounded flows", Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, 1989, Vol.1, no.6, pp.1061-1068.
[21] Tucker, Paul G., and Lars Davidson, "Zonal k–l based large eddy simulations", Computers & Fluids, 2004, Vol.33, no.2, pp.267-287.
[22] Murugu, Sakthi Prakash, A. R. Srikrishnan, Bharath Kumar Krishnaraj, Anguraj Jayaraj, Akram Mohammad, and Ratna Kishore Velamati, "Acoustic Modeling of Compressible Jet from Chevron Nozzle: A Comparison of URANS, LES and DES Models", Symmetry, 2022, Vol.14, no.10, p.1975.
[23] Thysen, Jo-Hendrik, Twan van Hooff, Bert Blocken, and G. J. F. van Heijst, "CFD simulations of two opposing plane wall jets in a generic empty airplane cabin: Comparison of RANS and LES", Building and Environment, 2021, Vol.205, p.108174.
[24] Li, Linmin, Chang Xu, Chen Shi, Xingxing Han, and Wenzhong Shen, "Investigation of wake characteristics of the MEXICO wind turbine using lattice Boltzmann method", Wind Energy, 2021, Vol.24, no.2, pp.116-132.
[25] J. F. Williams and D. L. Hawkings, "Sound generation by turbulence and surfaces in arbitrary motion", Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences,1969, Vol.264, pp.321-3.
[26] Ghasemian, Masoud, and Amir Nejat, "Aero-acoustics prediction of a vertical axis wind turbine using Large Eddy Simulation and acoustic analogy", Energy, 2015, Vol.88, pp.711-717.
[27] Wagner, Claus, Thomas Hüttl, and Pierre Sagaut, eds., “Large-eddy simulation for acoustics”, Cambridge University Press, 2007, Vol.20.
[28] Nicoud, Franck, and Frédéric Ducros, "Subgrid-scale stress modelling based on the square of the velocity gradient tensor", Flow, turbulence and Combustion, 1999, Vol.62, no.3, pp.183-200.
[29] Shur, Mikhail L., Philippe R. Spalart, Mikhail Kh Strelets, and Andrey K. Travin, "A hybrid RANS-LES approach with delayed-DES and wall-modelled LES capabilities", International journal of heat and fluid flow, 2008, Vol.29, no.6, pp.1638-1649.
[30] Kim, Sung-Eun, "Large eddy simulation using an unstructured mesh based finite-volume solver", In 34th AIAA fluid dynamics conference and exhibit, 2004, p.2548.
[31] Brooks, Thomas F., D. Stuart Pope, and Michael A. Marcolini, “Airfoil self-noise and prediction”, 1989, No. L-16528.
[32] Wolf, William Roberto, “Airfoil aeroacoustics, les and acoustic analogy predictions”, Stanford University, 2011.
[33] Menter, Florian R., "Best practice: scale-resolving simulations in ANSYS CFD", ANSYS Germany GmbH, 2012, Vol.1, pp.1-70.
[34] Choi, Haecheon, and Parviz Moin, "Grid-point requirements for large eddy simulation: Chapman’s estimates revisited", Physics of fluids, 2012, Vol.24, no.1.
[35] Moradtabrizi, Hamid, Edris Bagheri, Amir Nejat, and Hamid Kaviani, "Aerodynamic optimization of a 5 Megawatt wind turbine blade", Energy Equipment and Systems, 2016, Vol.4, no.2, pp.133-145.
[36] Kaviani, Hamid R., and Mohammad Moshfeghi, "Multi-Megawatt Horizontal Axis Wind Turbine Blade Optimization Based on PSO Method," Aerospace, 2023, Vol.10, no.2, p.158.
[37] Sagaut, Pierre, “Large eddy simulation for incompressible flows: an introduction”, Springer Science & Business Media, 2005.
[38] Solís-Gallego, Irene, Katia María Argüelles Díaz, Jesús Manuel Fernández Oro, and Sandra Velarde-Suárez, "Wall-resolved LES modeling of a wind turbine airfoil at different angles of attack", Journal of Marine Science and Engineering, 2020, Vol.8, no.3, p.212.
[39] Hunt, Julian CR, Alan A. Wray, and Parviz Moin, "Eddies, streams, and convergence zones in turbulent flows", Studying turbulence using numerical simulation databases, 2. Proceedings of the 1988 summer program, 1988.
[40] Nejat, Amir, and Hamid Reza Kaviani, "Aerodynamic optimization of a megawatt class horizontal axis wind turbine blade with particle swarm optimization algorithm", Modares Mechanical Engineering, 2017, Vol.16, no.11, pp.1-11.
[41] Kaviani, H., and A. Nejat, "Aeroacoustic and aerodynamic optimization of a MW class HAWT using MOPSO algorithm", Energy, 2017, Vol.140, pp.1198-1215.
[42] Turner, Jacob M., and Jae Wook Kim, "Effect of spanwise domain size on direct numerical simulations of airfoil noise during flow separation and stall", Physics of Fluids, 2020, Vol.32, no.6.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار