文档介绍：V
基于流场、声源场、声场精细分析的水动力声学研究
摘要
水动力噪声是由不定常、不均匀水流场引起的水中传播的声压脉动,由流体流动过程中的相互作用和流体与固体边界的相互作用而产生。水动力噪声是舰船等水中航行体的水下辐射噪声和自噪声的主要来源之一。降低水动力噪声对水域声学环境保护,特别是对提高水中兵器的声隐身和声探测性能具有重要意义。水动力声学是水动力学的一个边缘分支,其主要从水动力声源的发生机理及其控制方法角度研究水动力噪声问题。近年来,随着计算流体动力声学(CHA)的高速发展,借助于数值模拟解决以上噪声控制问题成为热点。
针对工程上大量的复杂非流线型结构引起的涡流噪声问题,本文基于计算流体动力声学(CHA)的多步骤混合方法,通过对三个典型工程结构(阀门、孔腔和突起)引发的涡流场、等效声源场、声场的精细数值模拟和分析,试图建立流动声源定位、区分真假和主次声源、流动声源发声机理分析及其控制方案设计的系统方法。本文研究的主要特色在于对流场、声源场及其声场的精细分析,即:三维瞬态流场模拟采用大涡模拟(LES)方法,并对涡流结构进行初步的拓扑分析; 基于 Lighthill 流声类比理论,将不定常流场分布换算成等效声源场的时域和频域分布;采用有限元和无限元方法在全场微分求解 Lighthill 流声类比方程,得到声学近场和远场的频域分布;将流场、声源场及其声场计算结果统一分析后,划分出不同发生机理流动声源的流场区域,分别计算这些区域声源对声辐射的贡献,从而区分真假、主次声源,针对主要声源的发生机理提出相应的降噪方案设计。
VI
通过阀门算例与实验数据(阀门压差损失值和流噪声频谱)的比
较,可以认为本文采用的流场、声源场、声场的数值模拟方法能够得到与实验基本相符的计算结果。计算结果表明:在阀门出水工况时, 主要低频(500Hz 以下)声源由阀门出口处的射流引起,主要中高频
(500Hz 以上)声源由阀盘限流及其尾涡流引起;在阀门进水工况时, 主要声源由阀内转角处的高速射流和二次涡流及其相互作用引起。根据以上声源定位及其发生机理分析,提出了相应的降噪方案。
孔腔算例表明:对于(L/D=3)的孔腔,中高频主要声源由腔口
剪切层失稳引起的小涡系列及其与孔腔后缘碰撞引起,低频主要声源由与孔腔尺度相当的腔内旋转大涡以及大涡与剪切层涡系碰撞引起。对于(L/D=)的孔腔,其主要低频(200Hz 以下)噪声源为孔腔上方剪切层与腔内大涡相互作用引起的低频噪声;高频噪声源在腔内, 孔腔上方以及后缘尾流均有较高分布。本文提出了腔内加隔板的降噪方案,并对该方案做了数值计算验证,计算结果显示了显著的降噪效果。
突起算例表明:主要声源位于突起与主体结合部后缘,后缘处有非常复杂的不稳定涡流结构,建议在那里采用流场主动控制方法消除或者减弱这些涡流结构。
由于流动噪声实验受实验设施背景噪声和声学边界条件的限制, 困难大,费用高,本文所采用的基于流场、声源场、声场精细分析的计算流体动力声学方法,为工程降噪应用提供了声源定位及其发生机理分析的有效手段,且能够提出相应的降噪方案指导。
关键词:计算水动力声学,涡流噪声控制,大涡模拟(LES),Lighthill
流声类比理论,阀门流噪声,孔腔流噪声,突起物流噪声
VII
HYDRO-ACOUSTICAL STUDY BASED ON FINE ANALYSIS OF FLOW, HYDRO-ACOUSTICAL SOURCE
AND SOUND FIELD
ABSTRACT
Hydro-acoustical noise is the pressure fluctuation propagating in the water, which is induced by the unsteady and inhomogeneous water flow field. Such noise is usually generated by the interaction among fluid or between fluid and solid boundary during plex flow procedure. Hydro-acoustical noise is one of the main sources of the radiated and self
-noise of water vehicles. The reduction of hydro-acoustical noise has significant importance for the acoustical environment protection in waters, particularly for th