景派资讯丨为飞行降噪!基于“天河二号”的城市无人机噪声评估和优化

2022-10-24 08:27
导 读


近年来,我国在民用无人机的研发、设计制造和应用推广方面都有着一定的领先优势,用于货物运送和城际交通的无人机也正在迅猛发展,将有望解决城市交通拥堵问题。然而,无人机作业时产生的较为严重的噪声污染,不仅影响人们的正常工作生活,甚至增加了听力损伤和心血管疾病等风险。为探索解决这一问题,香港科技大学张欣教授课题组研发了一系列适用于多旋翼无人飞行器的数值计算方法,基于“天河二号”开展了大量的旋翼气动噪声计算与低噪声叶片形状设计工作,相关研究成果近期在流体力学期刊《Physics of Fluids》上发表。

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随着中国经济和科技的快速发展,在无人机领域中能够投入的资源也越来越多,因此中国的无人机已达到世界领先水平。其中多旋翼无人机已取得长足发展,广泛应用到休闲娱乐、农林植保、产业检测等多个应用领域,货运无人机将为物流业带来智慧化与科技化转型的巨大变革。但如果数百架无人机因为运送包裹而在社区周围嗡嗡地盘旋、频繁起降,势必会带来扰民的问题。所以,无人机的进一步发展必然要考虑噪声污染,在相关适航要求和监管条例完善的同时,也需在噪声产生的源头和传播过程中进行有效控制。


多旋翼无人机运动模拟遇到巨大挑战

多旋翼无人机在实际飞行过程中姿态多变,流动状态复杂,噪声机理复杂,噪声特性对不同影响参数敏感。因此,对无人机噪声进行研究,需要综合开展理论分析、实验测量和高精度数值模拟,并且需要结合几种研究手段的不同特点以互相补充配合。

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通常来说,简化的理论和经验模型未能将实际过程中的很多瞬态特性考虑进去;而实验测量对测试环境要求很高,一般也很难将众多耦合因素有效分解出来。所以,高保真的数值模拟,既可以提供丰富的流动和声场信息,有助于分析相关的物理机理;同时,也可以有针对性地对相关参数进行调整,改进气动和噪声性能。但由于无人机产生的噪声对应能量幅值小(“小”是相比于需要同时解析出来的空气运动而言)、频带范围宽、传播范围广,给数值仿真解析多旋翼无人机运动产生的复杂流动结构带来了巨大挑战。

近年来,香港科技大学张欣教授和钟思阳助理教授课题组研发了一系列适用于多旋翼无人飞行器的数值计算方法,基于“天河二号”超级计算机开展了大量的旋翼气动噪声计算与低噪声叶片形状设计工作。
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▲张欣教授课题组合影


其优化后的叶片设计表面流动更加均匀,使得宽带噪声得到了有效抑制,并且在跨工况运行情况下具有很好的气动和噪声性能。在相关的数值计算结果与高精度的静音风洞实验比对后,为叶片设计的进一步完善提供有力保证。


依托“天河二号”的高效城市环境
噪声预测平台

数值模拟一方面需要超高性能的计算资源平台,另一方面又需要同时与实验、理论研究相结合,以确保计算的准确性和有效性。课题组通过国家超级计算广州中心南沙分中心为连接点的跨境专用科研光纤网络专线,在香港即可方便快捷地使用“天河二号”超算资源开展对多旋翼无人机的相关研究。


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▲多旋翼无人机各部件相互干扰复杂流动状态

课题组依托“天河二号”,对实际过程中常见的叶片振动、各部件相互干扰等过程进行系统研究,进一步促进了理论模型的发展。由于多旋翼飞行器的设计包含多种部件,因此对空气动力学和噪声特性都产生着显著影响。研究结果还展现了多旋翼飞行器中桨叶-桨叶、桨叶-支撑件,桨叶-机身之间的复杂相互作用过程。
无人机噪声在城市环境中远距离传播时,城市建筑几何、地形地貌、植被覆盖、大气吸收和折射等因素都会对最后结果产生显著影响。这些客观因素对不同频带噪声影响的差异性进一步增加了计算的复杂性,这也对计算量和计算稳定性提出了新的要求。除此之外,不同区域由于人口密度和功能配置方面的差异,噪声产生的影响也并不完全相同。于是,研究团队提出了基于高斯束声线法的高效城市环境噪声预测平台。

大规模模拟+实验+理论分析
助推无人机发展
研究中,将多旋翼无人机飞行和噪声建模与远距离声传播相互结合,同时针对复杂声指向性和宽带特性进行处理,有效提升飞行器噪声在大范围内复杂环境传播的预测计算的效率,从而更好地结合实际城市环境进行噪声评估,为未来城市无人机的低噪声路径规划打下基础和提供依据。
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▲模拟多旋翼无人机噪声对城市环境的影响



无论是非稳态的无人机气动噪声模拟,还是在城市环境中的远距离传播,对计算平台内存消耗、计算速度、并行效率、数据存储和传输等各方面提出了极高的要求,“天河二号”稳定丰富的高性能计算资源以及专业的技术支持为研究工作顺利开展提供了重要支撑。课题组表示,通过与实验和理论分析的结合,可以预见未来基于超算的大规模数值模拟在无人机的设计和优化、性能评估和完善、运行和规划等方面继续发挥更大的作用。

事实上,张欣教授课题组深耕空气动力学研究领域多年,早在2019年就已经依托风洞实验测量和大湾区创新基础设施“天河二号”开展了先进、系统的单车空气动力学研究,在2021年曾助力中国香港单车运动员李慧诗在东京奥运会场地自行车女子争先赛中夺得一枚宝贵的铜牌


近年来,国家超算广州中心通过建设分中心加强超算服务覆盖,以超算推动“9+2”城市群整体创新能力提升,全面支撑粤港澳国际科技创新建设与发展。目前已有数百个港澳科研团队依托“天河二号”,在材料化学、生物医药、工程机械仿真计算、气候模拟与海洋环境、金融计算等诸多领域开展科学研究,广州超算已成为在港澳地区用户规模最大的国家级超算中心,持续为港澳地区的技术创新提供支撑与动力。

论文原文链接:

https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0098891