平板壁面湍流脉动压力及其波数——频率谱的大涡模拟计算分析研究

壁面湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行数值计算是流声耦合领域的重要课题,开展相应的研究十分必要。文章采用大涡模拟方法(LES)结合动态亚格子涡模型(DSL)与千万量级的精细网格,对平板壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值计算方法的可靠性。首先,介绍了大涡模拟的物理内涵与基本方程,给出了所采用亚格子涡模型的表达式。其次,描述了Abraham试验中矩形试验段的几何特征,给出了网格的剖分形式,并给出了相应的离散求解数值方法以及边界条件的设置。再次,探讨了湍流脉动压力变化规律及其相似律,基于Fourier变换计算得到了湍流脉动压力波数—频率谱,并详细讨论了壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱计算值与试验值之间的差异,进行了定量与定性的验证分析,结果表明,计算结果与试验结果吻合良好,计算方法合理可靠,为今后复杂几何模型壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱的计算研究工作奠定了基础。最后,基于试验和计算结果,比较分析了常用波数—频率谱理论模型,为波数—频率谱的工程应用提供了参考。

水下航行体表面湍流脉动压力波数−频率谱测试应用分析

[目的]分析不同模型表面流动激励力的相关性测试结果在流激振动声辐射中的应用。[方法]利用湍流脉动的压力波数−频率谱计算流激平板声辐射模型,建立水下航行体湍流脉动压力波数−频率谱测试应用方法,并将测量结果与经典模型计算结果进行比较。[结果]结果显示,平板模型的湍流脉动压力波数−频率谱测量结果与经典模型计算结果比较一致,偏差小于3 dB;在环频以上频段,回转体模型可近似为平板,其表面湍流脉动压力波数−频率谱测试结果与平板模型的差别很小,偏差小于3 dB;在环频以下频段,采用平板模型的激励力测试结果计算回转体的流激振动声辐射会带来较大的偏差。[结论]试验与分析结果可为水下航行体流动激励力测试应用提供理论基础。

壁面涡旋结构与湍流脉动压力的大涡模拟研究

湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对其进行数值计算是流声耦合领域的重要课题,开展相应的研究十分必要。文章采用大涡模拟方法(LES)结合四种亚格子涡模型与四套网格,对槽道壁面湍流脉动压力进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值计算方法的可靠性。首先,介绍了大涡模拟的物理内涵与基本方程,给出了常用亚格子涡模型的表达式,并给出了相应的离散求解数值方法以及边界条件的设置。其次,描述了槽道试验段的几何特征,给出了网格的剖分形式。最后,详细讨论了槽道壁面湍流脉动压力频谱计算值与试验值之间的差异,进行了定量与定性的比较分析,同时分析了涡旋结构与近壁面流速分布,研究了亚格子涡模型与网格数量对计算结果的影响,为今后复杂几何模型壁面湍流脉动压力及其频率-波数谱的计算研究工作奠定了基础。

管路声学测试中声与湍流脉动压力的分离研究

流动机械和阀件等管路声源的水动力噪声特性通常采用管测法进行。在管壁上嵌入的水听器同时接收到来自声源的"真声"和局部湍流脉动压力产生的"伪声"信号,因此有必要将二者分离,比较其量值和频谱特性,消除伪声对真声测量的影响。针对"真声"和"伪声"互不相干的特点,应用互谱和相干分析方法,建立了声与脉动压力分离的数据处理算法。对不同转速水泵在管内产生水动力噪声的测试结果进行数据处理和分析,结果表明,分离获得的湍流脉动压力谱与已有的理论研究结果一致,且量值远低于真声信号,对声源测试影响可以忽略。

双体船湍流脉动压力激励水下辐射噪声预报研究

利用大涡模拟技术,对某双体船模型及实船进行湍流脉动压力的数值模拟,并将计算结果作为输入,采用声学有限元法对双体船实船水动力噪声进行了预报。数值模拟结果表明计算与试验数据吻合良好,能够有效地模拟双体船航行时船体周围的湍流脉动压力分布。此外,以湍流脉动压力为输入,通过声学有限元法得到的双体船水下辐射噪声在高频段与以往的统计能量法趋于一致,而在低频段的结果高于统计能量法,可以更加合理地预报双体船的水动力噪声。

湍流脉动压力下椭球声呐腔水动力自噪声分析

运用统计能量法建立水下椭球壳形状的声呐腔模型。利用计算流体动力学软件计算不同航速下声呐罩表面湍流边界层的分离点,考虑了湍流脉动压力空间分布的不均匀性。分析航速以及不同吸声和阻尼处理方案对声呐腔水动力自噪声的影响。理论评估吸声处理的结果和数值计算的结果比较吻合。研究表明:航速越大,自噪声越大;透声窗面积所占总表面积的比例越小,吸声和阻尼处理的降噪效果越明显;吸声和阻尼处理在中高频段降噪效果更好。研究结果为水下声呐腔水动力自噪声预报和控制提供了参考。

自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力波数—频率谱的大涡模拟计算分析研究

壁面湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行数值计算是流声耦合领域的重要课题。文章在已有工作的基础上,采用大涡模拟方法(LES)结合动态亚格子涡模型(DSL)与千万量级的精细网格,对不同自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了数值计算与分析。首先,介绍了大涡模拟基本方法,包括:大涡模拟的物理内涵、基本方程以及所采用亚格子涡模型的表达式。其次,介绍了湍流脉动压力波数—频率谱及其计算与分析方法。再次,对不同自由来流角度情况下的湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了计算,并将计算结果进行了比较分析,深入讨论了自由来流角度对湍流脉动压力及其波数—频率谱的影响。结果表明,在自由来流角度影响下,湍流脉动压力及其波数—频率谱主要参数(包括波数—频率谱的谱级峰值、迁移脊在波数—频率域内的分布范围、迁移速度和无量纲迁移速度等)均发生了明显变化,说明自由来流角度对湍流脉动压力波数—频率谱有显著影响,且边界层内湍流脉动压力的能量主要沿流向分布。因此,为了更加准确可靠地研究边界层内湍流脉动压力的主要统计特性及其波数—频率谱,传感器阵列或监测点阵列布置方向应与当地流向(局部剪应力线或摩擦力线)一致。

压力梯度对湍流边界层壁面脉动压力影响的数值模拟分析

通过对非平衡态湍流边界层壁面脉动压力的数值模拟研究,建立有压力梯度下的湍流边界层壁面脉动压力数值模拟方法。通过对不同厚度分布的翼型表面的湍流边界层模拟,获得不同压力梯度模型的壁面脉动压力特征。采用湍流边界层参数对脉动压力频谱进行归一化处理,其频谱特征与试验结果吻合较好。对湍流壁面脉动压力的频率-波数谱进行分析,获得了显著的湍流传输特征。随着不同模型压力梯度的增加,在波数峰脊附近的谱级增加幅值为3 dB。此数值模拟方法可为复杂工况下的湍流边界层壁面脉动压力的数值研究提供技术支撑。

汽车表面湍流压力脉动计算精度的研究

通过运用脱涡模拟(DES)方法对两种网格尺寸和两种几何细节的模型进行计算流体动力学(CFD)分析,获得侧窗表面的湍流脉动声压级,并与风洞试验结果对比,结果表明:1 mm网格的精度较高,而2 mm网格在2000 Hz以后出现明显误差;造型模型在100 Hz低频段的误差稍大于整车模型,但在中频和高频段的精度等同于整车模型。Q准则显示1 mm网格可捕捉尺寸更小而涡量更大的涡核,这也正是1 mm网格在高频段精度更高的原因。考虑到计算效率,建议采用造型模型进行湍流压力脉动的计算,且在侧窗区域使用1 mm的加密区。

国外舰船水动力噪声研究进展概述

水动力噪声是潜艇和水下航行体较大航速时的主要噪声源,在低Ma数情况下,它主要是湍流边界层脉动压力激励结构振动产生的辐射噪声。文章综述湍流边界层脉动压力的频率—波数谱模型、湍流脉动压力测量方法以及弹性结构受湍流脉动压力激励的外部区域场计算的研究进展。

基于A柱后视镜车内气动噪声数值模拟与预测

针对后视镜引起的前侧窗与车内气动噪声问题,采用计算流体力学(CFD)方法对某商用车进行车外后视镜区域数值模拟和车内噪声预测的研究。稳态分析采用RANS模型中SST(Menter)k-ω模型,瞬态分析采用基于SST(Menter)k-ω的分离涡模拟(DES);通过分析后视镜侧窗区域的稳态静压力与瞬态动压力、速度和涡量云图,揭示了因A柱后视镜而产生车窗表面的湍流压力脉动的机理;同时求解瞬态流场获得两侧车窗表面湍流压力脉动载荷。采用声学FEM方法将车窗表面湍流压力脉动作为边界条件来计算气动噪声的传播,基于车内声学空间不同频率的声压级云图分布规律,说明了车内气动噪声主要集中在中低频段和声压级最大的分布区域;驾驶员左耳旁声压级曲线展示了20-2500 Hz频段内声压级变化规律。最后进行实车道路滑行测试,证实了气动噪声在车速80-110 km/h时较为明显的结论;采用CFD结合声学有限元的方法可较为准确地预测车内100-2500 Hz气动噪声的声压级,为优化后视镜、降低驾驶室内气动噪声提供仿真和试验的技术方案。

汽车后视镜气动噪声仿真与实验研究

根据计算进气格栅开、闭两种状态的整车模型的空气动力学性能参数对比风洞实验结果,确定了原设计的整体流动仿真的精度;而基于该模型运用DES法计算的侧窗表面测点的声压级与实验结果对比,确定了2mm网格气动噪声仿真的精度。对新方案和原设计运用Q准则的流态显示,表明新方案后视镜尾流区的流动状态得到改善;侧窗表面的湍流压力脉动的对比表明,后视镜外形的改动对湍流压力脉动影响很小;而通过Lighthill声类比法获得的声压脉动却有显著差异,新方案在2 000～8 000Hz范围内的声压脉动明显减小。Beamforming测试的声源分布和改进效果,与CFD计算预测一致,且与车内的声压级测试有很好的相关性。以上研究表明:Q准则的流态显示可用于气动噪声的定性评估;声压脉动是后视镜气动噪声仿真最主要的评价依据,不可忽略。

某SUV A柱棱线位置对车内风噪性能的影响

汽车高速行驶的过程中,车速超过100 km/h时,车外气动噪声对车内噪声贡献起主要作用,控制外造型噪声源便显得非常重要。运用基于统计能量法的声学仿真软件PowerACOUSTICS对车外造型声源传播至车内驾驶员外耳处的声场进行计算。仿真结果与试验吻合较好,验证了该方法的可行性。使用该方法对某SUV的A柱原状态和压条2种方案进行仿真计算,得到A柱压条对流经A柱的气流有梳理作用,减弱了气流分离,降低了由A柱产生的外造型声源,改善了车内声场的分布,减小了车内驾乘人员双耳处的响应,提高了SUV的声品质。该方法在车型研发过程中对A柱的优化控制提供技术支持。

周期加肋夹芯透声窗的声呐自噪声特性研究

以舰船声呐罩透声窗的低噪声设计为背景,针对周期加肋夹芯平板和平行腔体组成的简化声呐罩模型,采用Fourier变换方法和功率谱密度函数,建立加肋夹芯透声窗受平稳随机湍流脉动压力激励产生的声呐部位水动力自噪声的计算方法,数值计算肋骨几何尺寸和间距等参数对声呐自噪声的影响。研究结果表明加肋透声窗在湍流脉动压力激励下产生的声呐自噪声,取决于声呐罩的空间滤波特性。肋骨引起的波数迁移,使透声窗与湍流脉动压力的传输峰值分量发生空间吻合共振,明显增大声呐自噪声。加肋夹芯透声窗的弹性波传播截止效应,部分抵消肋骨产生的空间调制效应,可降低声呐自噪声5 dB^10 dB。

二维低噪声风洞设计

湍流边界层脉动压力谱是水动力噪声预报的重要输入参数。为满足湍流边界层脉动压力测试需求,设计并建造了二维低噪声风洞。风洞设计从流体动力学和声学2方面考虑。流体动力学设计既需要满足流速要求,又需要降低试验段湍流度,提高流动稳定性;声学设计从洞壁隔声,洞体内部消声以及减振3个方面考虑,专门设计了声流式消声器、微穿孔消声器及消声弯头用于降低试验段噪声。二维低噪声风洞建成后有效进行了湍流边界层脉动压力测试。

基于模态分析法的水下高速航行体流激振动声辐射特性研究

为了评估水下高速航行体的低频水动力噪声特性,该文基于模态分析法,将航行体简化为镶嵌在无限长刚性圆柱障板的圆柱壳模型,以流动激励力湍流脉动压力波数-频率谱作为输入,建立水下航行体流激结构振动声辐射计算方法,并通过回转体实验进行验证。研究结果表明:3~9 m/s流速范围内,80 Hz以上总声级偏差小于2 dB,计算结果与试验结果基本一致。该研究工作为水下航行体低频水动力噪声评估提供了一种理论方法。

基于Actran某车型后视镜风噪声计算

随着汽车发动机与轮胎路面噪声控制方法的研究与应用,汽车风噪声对车内声环境的影响越来越显著.风噪声对车内的作用分为声壁面脉动压力、湍流壁面脉动压力2种机理.选择一款车型,采用通用CFD软件与Actran相结合的方法,对其车内风噪声影响进行计算,并在后处理中分析2种机理导致的声源对车内驾驶员人耳处的噪声贡献率.

水下湍流激励复合材料板的振声特性研究

为有效控制水下复合材料结构受湍流壁面脉动压力激励引起的结构自噪声,利用模态展开技术和高阶剪切形变理论,结合湍流壁面脉动压力功率谱建立了水下湍流壁面脉动压力激励复合材料板的Rayleigh-Ritz模型,并推导了结构振声响应的封闭解.利用该方法探讨了复合材料板的弹性模量、密度、阻尼等材料参数,以及铺层角度和厚度等参量对水下湍流激励引起结构振动和声辐射的影响.研究发现:通过增大结构阻尼是抑制水下湍流壁面脉动压力激励复合材料板的振声响应的最佳有效途径,同时提高结构抗弯刚度也能达到较好的减振降噪效果,尤其在抑制振动方面作用显著.

湍流激励下橡胶贴敷声呐罩自噪声抑制机制

基于湍流边界层脉动压力功率谱模型、正交周期加筋板弯曲运动、声波和固体波动及随机振动理论,建立了湍流边界层激励下声呐罩壳板自噪声的计算模型.研究发现:橡胶层主要依靠横波传播截止效应抑制湍流脉动压力水动力学成分所致的壳板自噪声,降噪量高低与厚度模态有关,同时可以保持声波高透射.随着声呐罩外贴的橡胶横波波速减小或阻尼因子增大,橡胶贴敷声呐罩对湍流脉动压力的降噪效果明显.正交周期加筋板的板格尺寸改变,比如流向肋骨或展向肋骨间距较小,会使壳板振动加速度自功率谱共振峰频率向高频移动,但是壳板振动加速度或壳板内侧声压自功率谱整体幅值基本不变.