基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。

基于涡声理论的低速轴流风机气动噪声研究

采用PIV和CFD对不同安装角低速轴流风机流场进行对比研究,结合低速等熵流动的涡声理论分析风机内部流场与噪声辐射关联,在此基础上计算风机气动噪声。研究表明,低速等熵流动的气动噪声主要源于流场中涡系的拉伸与破裂。均匀进气情况下低速轴流风机的主要气动噪声源为叶片尾缘涡脱落噪声和叶尖涡噪声,其中前者强度明显大于后者。在此基础上,应用基于CFD的涡脱落噪声预测模型对风机气动噪声预测结果与实验吻合较好。

涡声理论在汽车A柱气动噪声优化中的应用

涡声理论表明气流流动产生的噪声主要取决于声源项涡量与速度叉乘项的散度的强弱。基于涡声方程,通过分析汽车A柱附近流场中速度、涡矢量以及两者间夹角正弦值等物理量与气动噪声之间的关系,找到了影响A柱气动噪声的主要气动参数。研究表明,A柱区域气动噪声声压级与流场中速度和涡矢量的叉乘变化规律一致,进一步分析涡量、速度以及两者夹角正弦值等三个流场气动参量发现,三者中绕A柱轴向的涡量对噪声的贡献量最大。据此,通过在A柱上沿涡量方向加装扰流条可以有效控制A柱区域气动噪声;其中,增加16个扰流条的措施,可使前侧窗表面噪声最大降低4.2 dBA,对测点声压级的频谱分析表明该方法在较宽的频段内均有降噪效果。

变工况下周向弯曲风扇叶顶涡声特性

采用计算流体力学数值方法研究变工况下周向弯曲低压轴流风扇的叶顶泄漏流动特性,结合涡声理论分析泄漏涡与声源的协同特性,分析叶片不同周向弯曲方向对协同性的影响,并通过近场机匣壁面动态压力测量和远场声学测量,验证叶片周向弯曲方向对近远场声学特性的控制规律.研究表明,泄漏涡声源是周向弯曲叶轮小流量工况下的重要声源,速度矢量与涡矢量的夹角值控制叶顶区域声源强度和分布.近远场实验结果表明,泄漏涡声源与远场声学关系密切.

基于涡声理论的水下射流噪声预报(英文)

湍流噪声是潜艇重要的水下噪声源。以水下自由湍射流为例,探讨其噪声机理和预报方法,构造了Powell涡声理论和CFD方法相结合的算法。首先讨论了Powell涡声方程和Howe的涡声方程的解法;作为算例,用CFD软件FLUENT中标准k-ε计算湍射流场,以此作为近场声源;随后,运用Powell涡声和Howe的涡声方程理论对远场噪声谱进行预估,给出了辐射噪声指向性比较,并分析了自由射流场声辐射机理。

涡脱落热声振荡中相似性及涡声锁频行为

基于Matveev和Culick提出的涡脱落引起的热声不稳定性一维简化模型,对涡脱落引起的热声振荡中的典型非线性现象进行研究,着重研究了系统的初值敏感性、关键参数对热声振荡的影响规律及涡声锁频现象.首先,采用Galerkin方法将控制方程中压力和速度波动在基函数下展开,使偏微分方程组转化为一簇常微分方程;然后,数值求解得到了不同系统参数下声场的压力和速度波动,并详细分析了系统在不同初始条件下的热声不稳定性,同时研究了不同稳态流动速度对系统热声振荡的影响规律,以及在不同稳态流动速度下热声振荡过程中出现的涡声锁频现象.结果表明:该涡脱落热声振荡系统对初值极为敏感,是典型的非线性系统;随着稳态流动速度增大,压力波动的振幅总体有增大趋势,但在几个速度区间内却重复出现振幅先减小后增大的相似结构;系统最终以涡撞击频率(fs)的整数(fp/fs)倍做周期振荡,呈现转数为fp/fs的涡声锁频,该涡声锁频可以作为周期性燃烧振荡的重要特征.

旋转射流的涡声问题研究

本文针对旋转射流风机不同动静叶片间距,采用非定常结合大涡模拟的方法研究了后导叶射流风机的内流特性、外流特性及声传播问题,主要结论如下:叶轮动静间距的可调余地较大;动叶中的卡门涡和叶顶泄漏涡,以及叶片前缘产生的近壁叶道涡组成了动叶组的特色涡,涡声的源头位于前缘和尾缘;流场外侧的湍流粘性和有效粘性加剧了湍流的声音耗散;压力的时间、频率特性与声压的时频特性呈正相关的关系,声压的幅射主要位于轴线四周。

一种以涡声理论为基础的声衬的实验研究与分析

本文对一种新型声村一通气声村的声学特性进行了实验研究。首先,根据实验装置的实际结构给出了通气声村反射系数的理论计算公式,并使用不同孔径和穿孔率的穿孔板考察了通气声衬的特性参数随频率和气流速度的变化规律,理论与实验符合得较好,其结果表明:适当地选择声衬的几何参数和气流速度可以使通气声衬在共振频率处的吸声系数达到或接近于1.0。其次,本文对共振式声衬和通气声衬的特性进行了比较,对于大孔径穿孔板,前者的吸收频带较窄,而通过合理选择通气速度,则可以设计出高吸声系数和宽频带的通气声衬。最后,本文还对相同几何参数的穿孔板进行了吹气和吸气的对比实验。

涡脱位置及温度对涡声效应压力振荡影响

为探索涡-声效应对固体火箭发动机中压力振荡特性的影响,基于VKI(Von KarmanInstitute for Fluid Dynamics)发动机,通过改变挡板位置与燃气温度,对旋涡脱落引起的压力振荡进行了大涡模拟数值研究。耦合分析表明:挡板位于速度波腹附近,压力振荡最为严重;旋涡能量在输运过程中易于被湍流耗散,靠近喷管的二阶速度波腹处旋涡脱落压力振幅明显高于其它位置。解耦分析表明:温度对旋涡脱落频率影响不大,当旋涡脱落频率与声振频率分离后,压力振幅显著下降。

可渗透壁对翼型声涡相互作用下流场及声场的影响

由仿生学原理构建的可渗透翼型对湍流气动噪声抑制作用已展现良好的应用前景.对NACA0012可渗透翼型和实体翼型进行了数值计算,得到了声涡相互作用下气动噪声声场和流场,分析了可渗透壁对翼型流场和声场的影响.研究表明,相对实体翼型,可渗透壁通过减小声源强度降低了主纯音噪声声压级幅值和远场总声压级,消除了高阶离散纯音,但对噪声的指向性没有较大改变.进一步的流场分析表明,可渗透壁对翼型气动性能影响不大的情况下能够降低边界层扰动和翼型后缘大尺度涡旋强度,并推迟分离泡转捩和再附位置.

声涡相互作用下翼型分离泡内流动动力学特征

基于LBM-LES方法对中等雷诺数下NACA0012翼型气动噪声进行了直接模拟,得到了声涡相互作用下气动噪声声场和流场,分析了剪切层内流体动力学特征。结果表明:翼型壁面附近剪切层内,扰动从分离前T-S不稳定分离后向K-H不稳定转变,K-H不稳定对扰动的增长起重要作用;分离泡内湍流强度显著增长直至转捩成湍流,但流动再附后,湍流强度有所降低;750 Hz的大尺度旋涡结构是在分离泡内形成并发展成稳定结构,而2次和3次谐波频率对应的旋涡结构形成于流动转捩后,在分离泡外发展成稳定结构,说明远场2次及3次谐波纯音噪声和750 Hz主纯音噪声生成机理不同。

基于声涡转化对穿孔板切向流效应的研究

建立了一种有关切向流对小孔声阻抗影响的小扰动势流模型,其要点是使用法向质点速度连续而非广为采用的质点位移连续边界条件来匹配小孔剪切层两侧的声场,并在小孔前缘施加 Kutta条件以反映切向流效应的机理——锐缘处的声涡转化;模型中还考虑了实际应用中经常遇到的小孔形状和穿孔板厚度两个重要因素.理论预测的声阻和声抗与实验结果吻合良好.

刚性壁面三维陷落腔涡流噪声机理研究

陷落腔结构作为船舶表面的一种常见结构,其产生的噪声近年来广受关注。文章在马赫数为0.0048条件下,采用LES-Lghthill等效声源法对刚性壁面三维陷落腔的流场及声场进行仿真,形象地再现了陷落腔内部涡旋运动变化规律,分析了陷落腔涡流流动机制、脉动压力特性以及辐射噪声特征。通过对脉动压力功率谱及声功率频谱的对比分析发现,声功率谱的前三阶频率与陷落腔流体动力振荡频率吻合,这表明刚性壁面的三维陷落腔涡流噪声由流体动力振荡引起,由脉动压力构成的偶极子源对涡流噪声的贡献最大。研究成果为控制船舶涡流噪声提供了理论依据。

大涡模拟预报螺旋桨辐射噪声的三种声学方法

螺旋桨噪声是船舶的三大噪声源之一,研究螺旋桨的噪声现象具有很大的现实意义。首先划分了螺旋桨的结构化网格,进行了网格收敛性分析,然后采用大涡模拟方法计算螺旋桨水动力。在噪声计算中采用了FW-H方程、结合Virtual lab的旋转偶极子辐射、涡声方程三种方法进行预报,并与换算到自由场的试验结果进行对比分析。结果表明,采用大涡模拟可以预报螺旋桨的辐射噪声,三种方法均满足工程应用需求。

自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射及其频谱分析

本文利用奥辛涡(Oseenvortex)模型,应用涡声理论研究了自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射问题,并在此基础上进行了频谱分析。经分析知点涡粘性衰减过程的外声场具有窄频段、频谱分布曲线峰值特征明显等特点,其远场声压及其频谱分布情况与粘性系数有一定的关联。

基于大涡模拟和Lighthill声类比的孔腔流动发声特性研究

孔腔流动发声是气动声学研究领域重要的课题,基于大涡模拟和Lighthill声类比方法,探讨了气体在孔腔流动的流激噪声的发声特性。模拟结果表明,孔腔边界层出口剪切涡、边棱处涡街和腔体内反馈涡的运动诱导了孔腔发声,具有明显的偶极子特性,在高频段腔体内激发了声学驻波模态。通过模拟与实验对比分析了不同流量下噪声量级以及频谱分布规律,研究结果表明:24 kHz以下的声频谱会表现出波峰小范围迁移;24 kHz以上频率对应的声压级随流量增大而增大;腔体长度和特征频率近似满足Strouher公式,即声频特征频率随腔体长度的增大而减小。上述研究结果为下一步设计在线监测安全阀泄漏的报警超声波发声器提供了理论依据。

涡、声干扰数值模拟中的差分方法

涡、声干扰数值模拟中的差分方法居鸿宾（上海交通大学动力系，上海２０００３０）沈孟育（清华大学工程力学系，北京１０００８４）居鸿宾，副教授，１９６７年４月生于江苏泰兴，１９９４年５月在上海交通大学动力系获博士学位，１９９４年６月至１９９６年５月在清华大...

高速列车转向架区域气动噪声源的特征识别

为了创建高速列车气动噪声源识别方法,以气动声学基本波动方程为基础,将高速列车气动声源等效为无数微球形声源组成,利用声辐射和流场物理量之间的关系,并结合高速列车气动数值仿真技术,建立了高速列车偶极子声源和四极子声源的识别方法,从全新的角度对某高速列车头车气动噪声源进行识别;基于涡声方程声源项特征,进一步揭示了偶极子声源和流场流动的关系.研究结果明确了高速列车主要偶极子和四极子声源的强弱和分布特征,表明了气流的直接撞击和分离现象是产生声源的主要原因,头车及转向架区域气动噪声源以偶极子声源为主;偶极子声源强度较大位置出现在边沿较为尖锐的地方,在绝大多数情况下流体经过时涡量急剧增加,成为其形成强声源的主要原因.

分段固体火箭发动机中声涡耦合现象的实验研究现状

概述了国内外针对大型分段固体火箭发动机中由于声涡耦合而引起的压强振荡现象的实验研究,包括轴向供气和径向供气的冷流实验以及大量的缩比发动机点火试验。一方面,这些实验用来确定和验证定义涡脱落频率的Strouhal数值,其可在一定程度上解释全尺寸发动机振荡出现的时刻和频率的变化;另一方面,研究了绝热环的高度、厚度、材料、位置以及绝热环间距等参数对振荡幅值的影响,为被动控制提供思路。同时发现,头部、段间和潜入式喷管处空腔对压强振荡也有很大影响。

涡环相互穿梭产生的声及频谱特性

涡环的诱导与自诱导会引起同轴涡环的相互穿梭运动。在忽略涡核形状改变的前提下,利用涡声理论和理想流体中涡冲量守恒,可将远场声压用系统涡质心的轴向加速度表示。涡质心轴向运动加速度的变化是产生声的根本原因。在利用Biot-Savart公式得到涡环运动轨迹的基础上,对涡环穿梭运动产生的声及频谱特性进行了分析。涡环之间的初始轴向距离越远,所产生声的频率成分越丰富;相反,所产生声的频率成分越单一。