基于比拟理论的翼型扰流声场数值模拟

从二维模型方程的全离散形式出发，重点分析了差分格式的色散特性和各向异性效应，证实迎风紧致格式比对称格式有更好的色散和各向同性特性，故有利于声场的数值模拟．并采用三阶迎风紧致格式（UCD3）和四阶对称紧致格式（SCD4）计算了绕NACA0012翼型的可压缩非定常流场，并将此流场作为近场声源，运用声学比拟理论对气动声进行模拟．

现有的比拟理论存在漏洞

比拟即异化，通过将“乙”的特征赋予“甲”．实现“甲”向“乙”的异化，从而达到提高表达效果的目的。陈望道先生说：“一切比拟……可以分作两类：……将人拟作物的，称为拟物；……将物拟作人的，称为拟人。”(《修辞学发凡》)后来有人注意到，比拟的异化事实上表现为三种情况，一是将“人”

基于比拟理论的扭转问题分析

根据磁电比拟理论得到电流密度与剪应力,导体片的热功率与抗扭刚度的比拟关系,并利用磁电比拟法解决等直杆自由扭转的应力和刚度问题。

振动噪声和气动噪声统一分析方法的理论研究

首先对振动声学和气动声学理论进行了关联性分析,证明了振动声辐射的积分方程是FW-H方程的一种特殊形式,表明声比拟理论不仅适用于气动噪声的预测,而且同样适用于振动噪声的预测,是分析噪声产生机理的普适化理论。然后利用FW-H方程计算了球脉动和振动辐射噪声的声压级,计算结果和采用振动声学理论分析得到的结果完全一致。在此基础上,对流固耦合噪声的预测方法进行了探讨分析。结果表明,流体和弹性薄壳体耦合作用激发的噪声仅取决于流体的运动速度和流固界面的作用力,而与壳体边界的振动速度无直接相关。

矢量气动声学的理论研究进展及应用

气动声学的声比拟理论以密度、声压等标量为波动算子变量,建立非齐次波动方程,描述流体运动及与边界作用诱发声音的辐射,但标量无法直接描述声能量的传播过程和途径.在流体力学研究中,标量用于描述当前当地的物质状态,而矢量用于描述质量和能量的传输.借鉴上述思想,开展了矢量气动声学的研究,概述矢量气动声学的理论研究进展及应用,主要包括:(1)以声粒子速度为变量,采用声比拟理论的思想直接从NavierStokes方程出发推导建立了气动声学的矢量波动方程及两种频域解;(2)综合利用声压和声粒子速度的积分解,直接求解声源周围的瞬时和有功声强矢量场,直观显示声能量的传播途径,应用于旋转声源辐射声能量的传播分析,揭示了亚音速旋转声源辐射声能量的3种传播模式:螺旋模式、声学黑洞模式和R-A模式;(3)采用球谐级数展开方法建立旋转点/紧凑声源辐射噪声的声压和声粒子速度的频域解析解,在此基础上推导了声功率谱的频域解析解,建立了识别旋转叶片声源在空间域和频域分布特征的方法;(4)综合利用矢量气动声学方法和等效源方法,显示声源和散射边界周围声强矢量场的分布特征和能量传播途径,直接揭示了阻抗边界主要的吸声位置以及直接计算得到阻抗边界的吸收声功率.

流致噪声机理及预报方法研究综述

从自由湍流噪声、壁面湍流噪声、转子噪声和空腔流动4个方面对流致噪声机理及预报方法进行综述。对目前工程应用中的3个主要流致噪声预报方法,即Lighthill声比拟理论、Kirchhoff方法和涡声理论的基本原理及适用性进行详细讨论,并对流致噪声数值模拟方法进行总结。其中,Lighthill声比拟理论属噪声源先验理论,虽方便应用但不能描述声流相互作用基础问题;Kirchhoff方法在运用的过程中虽不需要确切获知源的属性,但声源区的计算精度很重要;涡声理论在声流相互作用等领域有着良好的研究前景。自由湍流噪声以四极子雷诺应力源为主,存在如螺旋桨等固壁边界时则会产生偶极子源,在低马赫数流动中是更为有效的声源。

高速列车车头的气动噪声数值分析

随着列车运行速度的提高,列车气动噪声变得越来越明显,降低气动噪声已成为控制高速列车噪声的关键之一。本文对高速列车车头气动噪声进行数值分析。首先,建立高速列车三维绕流流场的数学物理模型,分别利用标准k-ε湍流模型和大涡模拟计算高速列车的外部稳态和瞬态流场。然后,基于稳态流场,利用宽频带噪声源模型计算高速列车车身表面气动噪声源;基于瞬态流场,分析车身表面脉动压力的时域及频域特性;利用Lighthill声学比拟理论,计算高速列车远场气动噪声,分析远场气动噪声的时域及频域特性。本文对研究和控制高速列车气动噪声具有一定意义。

高速列车动车转向架气动噪声数值分析

为研究高速列车动车转向架气动噪声特性,建立了动车转向架空气动力学模型,采用定常RNG k-ε湍流模型与宽频带噪声源模型对其气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常LES大涡模拟与Lighthill声学比拟理论进行了远场气动噪声分析.研究结果表明:动车转向架气动噪声源为轮对、构架、牵引电机1、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等结构的迎风侧凸起部位,且构架对动车转向架远场气动噪声的贡献最大,其次为轮对和抗侧滚扭杆,然后为垂向减振器和枕梁,牵引电机1、牵引电机2、空气弹簧和横向减振器对远场气动噪声的贡献较小.动车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有衰减特性、幅值特性和气动噪声指向性.在低频部分能量较大,中心频率为25、50 Hz,且分布规律不随运行速度的改变而变化.

高速列车整车气动噪声声源特性分析及降噪研究

针对高速列车气动噪声声源组成的复杂性和各部件对总噪声的贡献量问题,本文基于Lighthill声学理论,采用三维、宽频带噪声源模型、LES大涡模拟和FW-H声学模型对初期研制设计的某型高速列车气动噪声进行数值模拟,分析该型列车的主要气动噪声源特性及对整车的贡献量大小,并提出降噪改进意见。研究结果表明：高速列车气动噪声是宽频噪声,高速列车以350km/h运行时,在20Hz以下存在明显的主频率,整车主要能量集中在630～4 000Hz范围内;距轨道中心线25m、头车鼻尖8m处的纵向噪声评估点,总声压级达到最大值95.9dBA;离轨道中心线的距离越大,其横向噪声评估点的声压级衰减幅度越小;运行速度的大小不改变列车声功率和远场噪声评估点的分布规律,只改变其幅值,随着运行速度的增大其增加幅度越小。高速列车最主要噪声源为头车的鼻尖和排障器,其次是转向架,最后是车辆连接处;对整车总噪声的贡献量,800～1 600 Hz范围内主要是头车,630～4 000Hz范围内主要是转向架,且中心频率为160Hz的幅值远大于车体、头车、尾车和风挡区域的噪声,1 000～2 000Hz范围内的噪声主要是车辆连接处,且中心频率为400Hz和1 600Hz时出现峰值;在车辆连接处设置全风挡及列车转向架部位设置全包裙板后,降噪效果明显。文中所得研究成果,可为高速列车气动噪声分布规律和结构优化、减阻降噪提供一定的科学依据。

车用交流发电机气动噪声数值分析

以某型车用交流发电机(也称爪极发电机)为研究对象,采用计算流体力学技术对交流发电机的空气动力学特征进行了三维非定常数值模拟,应用滑移网格技术和大涡模拟方法对交流发电机进行气动噪声特性研究。得到大涡模拟在交流发电机噪声数值预测方面其主要阶次和对应的幅值与试验对比有很好的一致性;前后扇叶为该型交流发电机的气动噪声声源;第6、8、10、12和18等阶次为该型交流发电机的主要气动噪声成分。在数值模拟基础上,以低噪声、高流量为优化目标,对交流发电机前端盖径向栅格分布角度进行气动噪声优化设计及降噪研究。得到前端盖径向栅格倾斜40°分布角度时交流发电机远场气动噪声最低、质量流量最大。所得研究成果可为车用交流发电机的气动性能和高转速下噪声的改进提供一种切实可行的参考依据。

高速受电弓气动噪声特性分析

针对高速列车受电弓气动噪声声源组成的复杂性和各部件对总噪声的贡献量问题,基于Lighthill声学理论,采用三维、宽频带噪声源模型,LES大涡模拟和FW-H声学模型对DSA380型高速受电弓气动噪声进行数值模拟,分析该型受电弓的主要气动噪声声源特性及各部件对受电弓远场气动噪声的贡献量大小,并提出降噪改进意见。研究结果表明:受电弓主要噪声源为弓头、绝缘子、底架、下臂杆等组件的迎风侧位置,其中碳滑板、平衡臂、弓头支架、底架、绝缘子、下臂杆等部件对远场气动噪声声源的贡献量最多;受电弓气动噪声是宽频噪声,且主要能量集中在1602 500Hz,存在主频305、608、913Hz(350km/h运行),且各阶主频与运行速度均满足线性关系;相邻2测点满足2倍关系的横向受声点声压级,其衰减幅度大约为6dBA,且与横向距离的对数成线性关系;垂向受声点的声压级最大值出现在距地面高度7.192m处;运行速度不改变受电弓的偶极子噪声指向特性(垂向平面在θ=0°、纵向平面在θ=120°、横向平面在θ=90°处的噪声指向性明显),只改变其幅值,随着运行速度的增大其增加幅度越小;受电弓以开口方式运行的气动噪声性能较闭口方式好,降噪效果明显。

粘性流体通过二维振荡圆柱的声辐射研究

本文建立了一个低马赫数下的求解远场声密度的数值模型 ,该模型利用Navier-Stokes方程计算二维粘性流体通过固定/弹性支撑圆柱的流场 ,利用Lighthill声比拟理论计算该流场产生的水动力噪声。文中仔细地给出了远场二维声辐射的公式。利用这些公式分别讨论了不同雷诺数下(Re<200和Re>5000)

离心泵水动力噪声研究综述

从组成部分、理论研究、数值计算研究以及试验研究4个方面介绍离心泵水动力噪声的研究现状.在国内外学者研究工作的基础上,从内声场和外声场2个方面详细概述了离心泵水动力噪声的组成部分及影响因素的研究现状,其中内声场从噪声的频谱特性可分为离散噪声和宽带噪声,离散噪声主要是由于动静干涉导致,能量集中在叶频及其谐频;而宽带噪声的研究目前还有很多工作待开展.FW-H方程是声比拟理论中计算离心泵水动力噪声的基本方程,应用广泛,同时涡声理论也表现出其很好的发展前景.基于声比拟法的混合数值模拟是目前离心泵水动力噪声模拟的主流途径,而诸如线性欧拉法(LEE)等声传播方程法的应用相对较少,未来随着对离心泵中高频段噪声研究的深入,声传播方程法也将会得到应用.用水听器构建双端口模型,可以准确测得离心泵低频段噪声,但该方法对试验条件要求较高,成本较大;麦克风阵列法在测量离心泵内部声场中的高频段噪声成分时具有良好的研究前景.最后提出在未来的研究中需要解决的难题以及值得关注的方向.

高速列车头车气动噪声的控制方法研究

提出了高速列车头车远场气动噪声的改进方案,并进行了仿真研究。首先完成了9组不同车头形状的全尺寸头车模型和流场流域的创建,并通过k-ε湍流模型计算稳态流场;其次在稳态流场的基础上,采用宽频带噪声模型计算了头车表面的气动噪声源;利用大涡模拟(LES)方法计算瞬态流场,进而获取车身外表面的压力;再基于瞬态流场,采用Lighthill声比拟理论研究了头车的远场气动噪声的计算。最后,将不同形状头车的气动噪声的仿真分析结果相对比,验证改进方法的可行性。这里的研究,将对高速列车噪声的有效控制提供一定的技术支持,有着较重要的科学意义和实际研究价值。

无轴向通流对转轴间的流动与传热特性

为研究航空发动机对转轴间的流动与换热,建立了无轴向通流的对转环腔湍流边界层的修正卡门三层结构速度分布模型。基于该速度分布模型并依据动量传递与热量传递的比拟理论,推导了外轴内壁面换热努塞尔数的表达式及准则关系式。与CFD数值计算的速度分布、外轴内壁面换热努塞尔数进行对比验证,结果表明,对转环腔湍流边界层的修正卡门三层结构模型给出了一致的速度分布和换热规律。理论与CFD计算得到的外轴内壁面换热努赛尔数在低旋转雷诺数下符合较好,高旋转雷诺数下偏离不超过20%。

基于直接边界元法的潜水排污泵内流噪声数值模拟

为了揭示不同湍流模型对超厚叶片潜水排污泵流动特性及噪声的影响,以1台超厚叶片低比转数潜水排污泵为模型,基于CFD理论与Lighthill声比拟理论,对潜水排污泵的流场和声场进行数值模拟,并对不同工况下(0. 6QN,0. 8QN,1. 0QN,1. 2QN,1. 4QN)潜水排污泵的内部压力分布特性进行分析,同时探讨了内声场和外声场的噪声产生原因及分布传播特性.数值模拟结果表明,采用SST模型得到的性能曲线最接近试验结果;当叶轮从时刻a旋转到时刻d时,隔舌附近的高压区增大;隔舌处压力脉动最剧烈,这说明隔舌处是主要噪声源;在最优工况附近噪声较小,偏离最优工况处噪声较大;噪声极大值均出现在30°～75°内,极小值在225°～250°内.

基于混合方法的二维圆柱绕流气动噪声数值预测

采用计算流体力学与声比拟理论相结合的混合方法,探讨了二维圆柱模型在低马赫数下的非定常绕流诱发的噪声算问题。首先采用雷诺时均Navier-Stokes方程计算了二维圆柱模型的非定常流场,与相同参数条件下的计算数据和实验数据进行对比,得到了可靠的流场数据;然后对流场数据进行处理,利用声比拟理论将流场数据转化为声源,通过求解柯尔(Curle)方程计算了远场噪声。将声场的计算结果与文献中的结果进行了对比,得到了较好的噪声计算结果。

谱元法应用于涡声传播问题的研究

为了满足计算气动声学对低色散、低耗散高精度数值离散格式的需求,将高精度谱元法结合声比拟理论应用于求解气动声学问题。以伪声压的时间二阶导数作为非齐次波动方程的声源项,空间离散采用谱元法,时间离散应用隐式Newmark法,并在外边界采用C-E-M吸收边界条件,求解了由两个相距为2r0的等环量点涡组成的同向旋转涡对的发声问题。旋转涡对的不可压缩流场通过复位势理论获得,声源由流场量计算得来,并将数值结果与应用多级匹配展开法得到的解析解进行比较,可得数值解与分析解吻合较好。研究结果表明:应用高精度谱元法进行空间离散时,每波长的网格数为11时可达到很高的精度;网格数一定的情况下,时间步长越小得到的数值解与分析解之间的误差就越小;另外,证明了将伪声压对时间的二阶导数作为声源项,能够高精度求解不可压缩流动引起的气动声学问题。

不同喷嘴结构的水射流噪声分析

针对现有声扫雷具尺寸与重量较大、功耗较高、适装性差等问题,本文开展了水射流噪声研究,实现舰船辐射噪声的模拟。本文以有效扫除声引信水雷,或与磁扫雷具配合,扫除声磁联合引信水雷。采用Lighthill声比拟理论,建立了不同喷嘴结构的水射流噪声理论模型,研究了压力分布和辐射噪声与喷嘴结构之间的关系,并分析了喷流噪声的频谱特征及其主要影响因素。结果证实了喷流声源用于声扫雷具的可行性,且风琴管形结构可提高喷嘴在远场的噪声辐射性能,在扫雷应用中具有更大的优势。

基于CFD模拟的站场弯头流噪声分析

天然气在弯头内流动时,由于湍流及涡流的作用,极易产生流体动力性噪声。以不同弯曲半径弯头为研究对象,基于大涡模拟对弯头流噪声问题进行流场模拟、声压等级计算。由于二次流的作用,弯头内侧壁面噪声等级要高于外侧壁面附近的噪声等级;而缓变流的影响,使得内壁面噪声等级随着弯头弯曲半径的增加而降低。数值计算的结果为站场弯头选型、流噪声防控方法的研究提供参考。