（光学工程专业论文）基于多腔的消声器气流再生噪声研究.pdf

中文摘要 摘要 随着人们生活水平的提高，人们对汽车的振动和噪声特性提出了更高的要求。 作为降低和控制车辆排气噪声的一种有效手段，消声器在发动机排气系统中得到 了广泛的运用。随着内燃机向高速化发展，消声器的气流再生噪声问题成为影响 消声器消声性能的重要因素。研究消声器气流噪声的影响因素，尤其是结构因素， 对于设计高性能品质的消声器具有重要的指导意义。 实验法是研究消声器气流再生噪声的有效手段和常用方法。本文搭建了消声 器气流再生噪声试验平台，利用双传声器法对多套消声器的气流再生噪声进行了 测量研究，分析研究了多腔消声器气流再生噪声与气流速度的关系。 基于气流速度与气流再生噪声的密切联系，本文利用常用的计算流体力学软 件f l u e n t ，重点研究了一套消声器的内部流场，分析消声器结构形式对消声器 内部内流场的影响，同时结合了4 套消声器的内流场特征，总结出影响消声器内 部流场的主要结构因素。 本文尝试运用宽频噪声源模型，c a a 模型，f l u e n t 软件与l m s v i r t u a l l a b 软件联合仿真，以及b p 神经网络方法对消声器气流再生进行了预测研究，比较了 几种预测方法的优缺点和适用范围，为消声气流再生噪声的预测提供了新的思路 和途径。 关键词：排气消声器，气流再生噪声，c a a ，c f d ，流场 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d si m p r o v i n g ，t h e r ea r eh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o r v i b r a t i o na n dn o i s eo fa u t o m o b i l e s a sa ne f f e c t i v et o o lt ol o w e rt h ee x h a u s tn o i s el e v e l ， t h em u f f l e ri sw i d e l ya p p l i e di ne x h a u s ts y s t e mo fa u t o m o b i l e s a st h er o t a t i o ns p e e do f e n g i n eb e c o m e sh i g h e r , f l o wr e g e n e r a t e dn o i s ed e v e l o p s i n t ot h em a i nf a c t o ro f e v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fm u f f l e r s t h er e s e a r c ho ni n f l u e n c ef a c t o r st of l o w r e g e n e r a t e dn o i s e ，e s p e c i a l l yi n v o l v e d 诵t l ls t r u c t u r e ，i sm u c hm e a n i n g f u lt oh i g h p e r f o r m e n c em u f f l e rd e s i g n t h ee x p e r i m e n t a lt e s ti sa ne f f e c t i v ea n dc o m m o n l yu s e dw a yt o s t u d yf l o w r e g e n e r a t e dn o i s eo fm u f f l e r i nt h i sp a p e r , at e s tp l a t f o r mf o rf l o wr e g e n e r a t e dn o i s eo f m u f f l e ri sb u i l ta n dd u a l m i c r o p h o n et e s tm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt om u f f l e r sf l o w r e g e n e r a t e dn o i s em e a s u r e m e n t ，t h e nt h er e l a t i o n sb e t w e e nf l o wr e g e n e r a t e dn o i s ea n d f l o wv e l o c i t ya r ea n a l y z e d b a s e do nt h ec l o s er e l a t i o n s h i po ff l o wr e g e n e r a t e dn o i s ea n df l o wv e l o c i t y , t h e f l u e n ts o f t w a r ei su s e dt oa n a l y z et h ei n t e r i o rf l o wf i e l do fas e to fm u f f l e r sa n di t s s t r u c t u r e s e f f e c sf a c t o r s m e a n w h i l e a c c o r d i n gt of o u rs e t so fm u f f l e r s i n t e r i o rf l o w f i e l dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em a i ns t r u c t u a lf a c t o r sa f f e c t i n gi n t e r i o rf l o wf i e l da r ef i g u r e d o u t i nt h i sp a p e r , a na l l i e ds i m u l a t i n gm e t h o do ff l u e n ta n dl m s v i r t u a l l a b s o f t w a r ei sa t t e m p t e d ，i nw h i c ht h ew i d e b a n dn o i s es o u r c em o d e la n dc a a m o d e la r e u s e d a l s ob pn e u r a ln e t w o r ki sa p p l i e dt os t u d yt h em e t h o d so ff l o wr e g e n e r a t e dn o i s e p r e d i c t i n ga n dt h er e l a t i v em e r i t sa n ds c o p eo fa p p l i c a t i o na r ec o m p a r e d ，w h i c h p r o v i d e sn e wc o n c e p ta n dm e t h o dt of l o wr e g e n e r a t e dn o i s ep r e d i c t i n g k e y w o r d s ：e x h u a n s tm u f f l e r , f l o wr e g e n e r a t e dn o i s e ，c a a ，c f d ，f l o wf i e l d i i i 重庆大学硕士学位论文 二二= - 二_ 一 i v 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及研究意义 噪声进入2 l 世纪以来，随着现代科技的迅猛发展，各种交通工具的数量日益 增多，全球环境的急剧恶化，环境保护己成为国际社会的谈论焦点，汽车所带来 的噪声问题已经成为环境污染的重要问题之一，由它引起的噪声污染日益受到重 视【1 1 1 2 1 3 1 。据统计资料表明，城市环境噪声的8 0 来源于机动车辆，各种机动车辆 已成为环境噪声的最大污染源【4 j 。为了适应国内外竞争激烈的市场和社会的可持续 发展需求，各国不断加严噪声允许法规，这对汽车的设计生产带来了越来越严重 的影响。这就要求设计生产者在不过大影响发动机的动力性、经济性的基础上尽 量降低汽车的噪声等级。汽车排气消声器是现代汽车广泛采用的消声装置，是降 低发动机噪声的简单而有效的手段。因此，研制高性能的消声器，对于降低汽车 噪声、减少城市环境噪声污染具有重要的社会意义和学术意义。 影响排气噪声最重要的因素是发动机转速和负荷，其原因在于转速增加使排 气管道内气流速度增加，当高速气流在通过消声器的复杂内部结构时，气流会形 成强烈的涡流，气流速度增加涡流强度越高，引起消声器内部产生的再生噪声也 增加，达到一定程度就会对消声器性能产生巨大的影响，严重时会使消声器失效， 甚至消声器会成为噪声放大器。气流产生再生噪声主要原因有两种。一种是管道 内壁或者其他构件在气流碰击下产生振动而辐射噪声，这部分称为结构噪声，通 常以低频成分为主。这种结构噪声的强度一般按照流速的四次方规律增加。当消 声管道的壁面及其他构件刚度不高，而气流速度又较低时，这种结构噪声常常会 起主要作用，当然克服这种结构噪声技术上困难相对要小些。另一种是由于发动 机高速的排气气流通过复杂的结构时，会遇到消声器壳内的截面突变、穿孔板、 穿孔管、弯头等情况，高速气流会产生湍流运动而引起噪声。这种湍流噪声，一 般以中高频成分为主，其噪声辐射强度按流速的六次方规律递增，一般当气流速 度高于2 0 m s 时，噪声的频谱峰值位置会由低频向中高频移动。气流再生噪声也 常常会由结构噪声为主转为以湍流噪声为主。对于这种再生噪声，目前还没有很 好的理论进行准确计算1 5 j 。随着内燃机向高速化发展，气流噪声问题变得更加的 重要，而在高速内燃机的条件下，多腔消声器气流再生噪声是影响实际消声性能 的主要因素，目前还没有软件或工具能对其进行有效预测。排气噪声是车辆噪声 的最主要的噪声源，消声器的实际消声性能的好坏直接关系到整车工作时的噪声 大小，关乎整车的噪声水平。因此，我们开展多腔消声器气流再生噪声的研究， 提高消声器整体性能，对降低整车噪声水平和减少环境的噪声污染具有重要的现 重庆大学硕士学位论文 实意义和学术价值。 1 2 消声器气流再生噪声研究现状 消声器的气流噪声是湍流运动或气体与固体表面相互作用产生的，尽管气体 运动产生的气流再生噪声没有完整理论，但大多数气流噪声学分析依赖于所谓的 声类比，该理论是流体动力学方程的重构写成的波动方程，最普遍和常用的声类 比方程是l i g h t h i l l 声类比。 气流噪声是流体力学与声学的交叉学科，属于气动声学的范畴。气动声学的 开创性理论研究是在1 9 5 2 年，l i g h t h i l l 提出了声类比理论，建立了声波波动量与 流场参数之间的直接联系，成为研究气动声学最基本的方程。但最初l i g h t h i l l 方 程的求解是在自由空间假设条件下得到的，对于在固体边界不起主要作用的地方， 如喷气噪声问题，l i g h t h i l l 的基本理论是适用的【6 | 。在1 9 5 5 年，c u r i e 运用基尔霍 夫方法考虑了固体边界对气流再生噪声的影响。结果表明，固体边界的作用相当 于在整个固体边界上分布偶极子源，且每点偶极子源的强度等于固体表面该点作 用在流体上的力的大小。c u r i e 理论解决了湍流中静止小球的风鸣声、圆柱旋涡脱 落诱发的噪声等问题。然而c u r i e 理论并未涉及到运动固体边界与流体相互作用的 发声问题1 8 j 。1 9 6 5 年l o w s o n 研究了自由空间的一个运动奇点的声场特性，这个奇 点可以是集中偶极子源、单极子源或四极子源。后来，l o w s o n 的结果被直接用来 建立直升机转子【9 1 、压气机转子的噪声模型 1 0 1 。1 9 6 9 年，f f o w c s w i l l i a m s 和 h a w k i n g s 进一步把c u r i e 理论推广到了任意的气流与物体的相对运动，即物体在 流体中运动的发声问题，得到了一个较为普遍的结果，这就是f w - h 方程【l 。1 9 7 4 年，g o l d s t e i n 运用格林函数方法考虑了湍流中的移动刚体，所得到的普遍结果被 称为广义的l i g h t h i l l 方程l l 2 | 。 车辆的气流再生噪声的研究也得到许多学者的关注，车身、空调管路和排气 消声器是车辆气流噪声的主要研究对象。气流噪声的产生机理复杂，影响因素较 多，理论和数值计算与实际测得的结果有较大差别，对于气流噪声的研究仅采用 理论分析和数值计算往往是不够的。因此，在开发汽车产品时，可将理论和数值 计算与试验相结合，通过试验方法与数值计算对所设计汽车产品的气流再生噪声 进行研究，以此来缩短开发周期、完善理论，优化汽车产品的设计。在国外，1 9 9 2 年，k a t o h 等采用有限元的大涡数值模拟方法对二维圆柱的气流噪声进行了预测， 发现了3 0 0 h z 的卡门涡街位置有较高的峰值【l3 | 。1 9 9 9 年s a n j a yk u m a r a s a m y 等人 运用仿真和实验研究了汽车a 柱排水沟的定常压力，非定常压力、声强级等参数、 实验和仿真获得了较好的一致性【1 4 】。2 0 0 1 年，d e s a n t e s 等采用试验和量纲分析相 结合的方法研究了直管、突然收缩和简单扩张腔三种排气消声结构的气流再生噪 2 1 绪论 声【1 5 】。2 0 0 3 年，b i p i n 等人利用f l u e n t 中的l e s 湍流模型和 f f o w c s 。w i l l i a m s h a w k i n s 声学分析模型对汽车后视镜的气动声学性能进行了研究， 结果表明监测点的声压级预测与实验数据相差5 d b 以下，个别点在1 0 d b 以下i i 州。 在2 0 0 5 年，a y h a n 等人研究了h v a c 系统中的气流噪声，运用c f d 和c a 方法预 测了3 项实验气流噪声的声压级，在研究的频率范围里面得到了较好的结果，为 产品的开发节约大量的成本【1 7 】。a s h o k 等人利用数值计算c a a 方法来预测h v a c 管道的气动声学，并指导改进管道的气动声学质量i l 引。v e n k a t e s h 等人对汽车一款 进气系统的模型的气动声学进行了研究，发现啸叫声，随后对模型进行了改进， 降低了模型的啸叫声【l9 1 。r o l f 等人研究了穿孔管消声器穿孔长度，穿孔大小和穿 孔形状对气流啸叫声产生的影响，但是没有考虑吸声材料的影响【2 0 j 。y u k i o 等人研 究了一台商用车的气动声学状况，实验结果表明低频的预测结果吻合较好，高频 需要考虑空间的压力波动【2 1 1 。e v 6 d y 等人在基于标准雷诺数平均n a v i e r - s t o k e s 和s n g r ( s t a t i s t i c a ln o i s eg e n e r a t i o na n dr a d i a t i o n ) 的方法下研究了车辆的a 柱 和后视镜气动噪声，说明在没有实验样件的情况下，这是一种很好的预测手段【2 引。 在2 0 0 6 年，o m a r 等人运用宽频带噪声源模型来指导设计h v a c 管道，结果表明 改进后的模型比改进前的模型降低了4 d b ，为早期的研究开发提供了一种途径【2 3 】。 在2 0 0 7 年，h o c h e o l 等人研究了消声器的详细的稳态和瞬态流场，并用 f f o w e s w i l l i a m sa n dh a w k i n g s 模型进行了声学分析，发现从1 0 0 0 h z 到4 0 0 0 h z 的 频率范围噪声的频谱呈现宽频特性1 2 4 | 。在2 0 0 9 年，j u l i e nm a n e r a 等人研究了汽车 仪表板的空调出气通道气流噪声情况并与实验进行了比较【2 5 1 。g e r h a r dw i c k e m 等 人对赫姆赫兹共振腔的气流噪声进行了研列2 6 j 。在2 0 1 0 年，d o n g k o nl e e 等人对 2 0 0 h z 至3 0 0 0 h z 的h v a c 系统的气流噪声进行了仿真研究，所得结果与实验吻合 较好u7 。b a r tv a n e l d e r e n 等人运用l e e 方法研究了一个膨胀腔的气动声学的传播 效应1 2 引。j u l i e nc a r a d o n n a 运用改进的c a a 方法研究了汽车排气系统的尾管噪声 和气流噪声，新的的方法使得分析复杂模型变得可能【2 9 1 。r o b e r te 等人运用直接 气动声学分析的方法分析了尾管出口处的气流冲击噪声，运用c f d 工具解决了运 用尝试法不好解决的问题【3 0 】。 国内对气流再生噪声的研究还很少，1 9 8 7 年，西安交通大学的何卓烈等根据 声学理论和空气动力学相似原理，对气流再生噪声辐射声功率与气流流量、流速 和动能的关系进行分析，按布金汉方法得到了气流再生噪声声功率公式，得到了 一些有关气流再生噪声声功率与气流相关参数和相似准则数的关系【3 l 】。1 9 8 9 年， 华东建筑设计院的顾身信在中国建筑科学院物理所建造的管道混响室消声器试验 装置，研究了l 型螺旋式消声器气流再生噪声特性【3 2 】。1 9 9 8 年，上海交通大学的 张猛等建立了常温脉动气流下消声器气动与声学性能的试验装置，该装置可以模 重庆大学硕士学位论文 拟内燃机进排气管内的流动和声学条件，以研究在不同脉动频率和脉动振幅的流 动条件下消声器的气动和声学性能。试验结果表明，该试验装置能够较好地模拟 压缩机和内燃机排气管内的流动与声学条件，并且以此为基础，获得了初步试验 结果【j 引。2 0 0 1 年，山东大学刘丽萍等人在自行设计建造的模拟试验台上，对消声器 模型分有、无气流两种情况进行试验研究。试验结果表明消声器结构对气流再生 噪声以及消声量有影响并提出了气流再生噪声的估算方法1 3 4 】【3 5 】【3 6 】。2 0 0 4 年，重庆 大学的阮登芳等建立了高温稳态气流声学试验装置，该试验装置实现了消声器性 能的包括声场、温度场和流场等的多方面模拟，可以进行高温气流条件下消声器 传声损失和压力损失的测量p7 | 。2 0 0 5 年，奇瑞汽车有限公司的杨万里对某乘用车 a 柱区域及后视镜区域风噪声进行了模拟研究【38 1 。同年，2 0 0 5 年，重庆大学阮登 芳博士在自行设计的消声器专用试验台上对消声器腔体结构形状对其共振频率的 影响进行了试验研究【39 | 。结果表明：无论主管中气流速度与声传播方向相同还是 相反，气流速度对消声器共振频率的影响很小，并总结出了一套进气消声器设计 的一般方法和原则。2 0 0 5 年吉林大学的孔传旭采用统计能量分析方法以某款国产 轿车为研究对象，详细分析了轿车在高速行驶时的车内风噪声问题【4 0 1 。2 0 0 6 年邓 晓龙等采用大涡模拟模型( l e s ) 计算了某汽车暖通空调风道的瞬态流场，然后应用 l i g h t h i l l c u r i e 声学理论，采用f w - h 声学模型，预测了其噪声特性。与试验结果对比 表明，用c f d 方法预测暖通空调系统管道气动噪声有一定精度，分析结果可用于改 进空调系统的气动噪声性能【4 1 1 。2 0 0 7 年肖朕毅本文利用f l u e n t 对桑塔纳车外 流场进行了数值模拟，然后研究了气动噪声向车外远场和车内的辐射问题【4 2 1 。2 0 0 9 年南京航空航天大学的张金明采用了声源提取的耦合方法来模拟汽车门缝低速非 定常流动的气动噪声的产生和传播，耦合过程中，首先求解r a n s 方程来得到非 定常的空腔流场，从非定常流场中提取出源项后再求解声学方程可得到对外传播 的声场，空腔噪声的计算结果较好【4 引。2 0 1 0 年，重庆大学的赵海军等对典型的消 声单元的气流再生噪声进行了分析，揭示了气流再生噪声发生的机理，实现了气 流再生噪声的精确描述】 4 5 】【4 酬。2 0 1 1 年，武汉理工大学的郭学敏对一套消声器系 统进行了内流场分析，并尝试了几种消声器气流再生噪声的预测方法【4 7 | 。 大量研究文献表明，由于消声器内部结构复杂且容积小，再加上温度场和复 杂结构间耦合作用的影响，消声器本身又具有消声作用，使得气流再生噪声的产 生和传播也变得极为复杂，同时，国内外对消声器气流噪声机理及数值计算的研 究还不成熟，对解决诸如消声器气流再生噪声这一类实际工程问题，还有相当大 的距离。以往学者主要对简单结构引起的气流噪声进行了研究，对简单结构进行 了数值计算，但对多腔消声器气流再生噪声的研究还很少，消声器的气流分布与 气流再生噪声之间的关系还没有完善的理论依据，研究方法上大多采用流场数值 4 1 绪论 计算来改善气流再生噪声，典型的技术手段主要是通过流场模拟改进结构，定性 改善气流再生噪声的大小，对消声器的正向设计和性能优化还难以起到定量指导 作用。 1 3 本文主要研究内容 为了提高消声器的消声性能，研究多腔消声器的气流再生噪声特性对消声器 的设计有着非常重要的指导作用，本文首先搭建了消声器气流再生气噪声测试试 验台，对多套消声器在不同流速下的气流再生噪声的特性进行试验分析，总结影 响多腔消声器气流再生噪声的主要影响因数。并建立了多腔消声器的仿真模型， 对多腔消声器的内部流场进行了研究，总结影响消声器内部流速的主要结构，同 时对多腔消声器的气流再生噪声的预测方法进行了初步研究。 本文的主要工作具体内容如下： 1 ) 总结关于消声器设计、消声器气流再生噪声研究现状和消声器气流再生噪 声技术的国内外相关理论和研究状况；明确多腔消声器的气流再生噪声的理论实 质和特点； 2 ) 搭建多腔消声器气流再生噪声测试试验台，重点研究低噪声气流源，流量 计和变频器的选型，为准确测量多腔消声器气流再生噪声提供硬件条件； 3 ) 对多种多腔消声器的气流再生噪声进行测试，并对试验结果进行分析，找 出多腔消声器气流再生噪声的主要影响因数； 4 ) 对一种典型的多腔消声器的内流场进行研究，找出可能加大气流再生噪声 的结构或区域，总结影响消声器内部流速的主要结构，对多腔消声器的设计起一 定的指导作用； 5 ) 利用数值仿真工具对多腔消声器进行宽频噪声源模型，c a a 模型，流体 力学和声学联合仿真以及b p 神经网络，初步探讨了多腔消声器气流再生噪声的预 测方法。 重塞莶堂堡主兰垡笙茎 6 2 消声器计算气动声学分析基本理论 2 消声器计算气动声学分析基本理论 消声器的流体声学理论诞生于l i g h t h i l l 的气动声学理论，经过柯尔( c u r l e r ) ， 福茨威廉姆( f f o w e sw i l l i a m s ) 和霍金斯( h a w k i n g s ) 的发展，气动声学显示了 极大地理论研究价值，但是在很长一段时间内并未得到广泛的应用，这是因为运 动边界具有延迟时间的积分十分困难并且也不方便于进行数值求解。直到8 0 年代 中期，随着计算技术的发展和相关理论的发展，计算气动声学才开始逐步兴起。 作为一门气动声学( a e r o a c o u s t i c s ) 和计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，简称c f d ) 相结合的一门交叉学科分支，需要声学和流体动力学的相 关理论的支撑 2 1 计算流体力学基本理论 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是基于离散化的 数值计算方法，是利用计算机对流体的相对于不同的固体边界的内外流场进行数 值模拟和分析的学科。c f d 的基本思想是：把原来在时间域和空间域上连续的物 理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量的集合来代替， 通过一定的原则和方式来建立关于这些离散点之间场变量之间关系的代数方程 组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值4 8 1 4 9 1 。 2 1 1 流场基本控制方程 任何流体运动的规律都是以如下三个定律为基础的：质量守恒定律、动量守 恒定律和能量守恒定律，如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流运输 方程。控制方程就是这些守恒定律的数学描述，具体的描述如下所示。 质量守恒方程 质量守恒方程又被称为连续性方程，任何流动问题都必须满足质量守恒定律。 定律描述为：单位时间内流体微元体中增加的质量等于同一时间问隔内流入该微 元体的静质量j 。 j n 半+ v ( p u ) _ 0 ( 2 1 ) c ，t 其中：p 是密度，t 是时间，u 为速度矢量，v 为哈密顿算子 该方程为质量守恒方程的一般形式，它适用于可压缩流动和不可压缩流动。 动量守恒方程 动量守恒定律其本质是牛顿第二定律，该定律可以描述为：微元体中流体的 动量对时间的变化等于外界作用在该微元体上的各种力之和。依据这一定律，可 7 重庆大学硕士学位论文 以导出x ，y ，z 三个方向上的动量方程，具体表达为式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，也 称为n a v i e r - s t o k e s 公式【4 9 1 。 a ( p u ) 。a ( p u u ) 。a ( p u v ) ( p u w ) l 一一一i 一一l a ta ) 【a va z = 未( 罢) + 专c 考) + 未( 妾) 一罢v k - + 瓯 。，、 2 面l 面j + 万【、面j + 瓦l 面厂面+ 瓯 r ，) a ( p v ) 。a ( p v u ) 。a ( p v v ) a ( p v w ) a t 。a x a y a z = 未( 罢 + 专c 考 + 未( 妾) 一面a p v - + 鼠 ，气、2 磊l i j + 面i 万j + 云l i j 一面+ 墨f ，气1 a ( p w ) a ( p w u ) a ( p w v ) a ( p w w ) 一一 一一l 一 一l 一 一 a ta x a y a z = 芸( 芸) + 专( 茅) + 未( 警) 一i a t , + 瓯 。2 4 ， 其中：为动力粘度，瓯、& 、瓯为动量守恒方程的广义源项。 能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，其本质是热 力学第一定律。该定律可以表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净 热流通量加上体积力与表面力对微元体所做的功。 a ( 五p e 一) + v ( u ( p e + p ) ) ：v ( k c v t 一嘭+ ( c e f f u ) ) + 邑 ( 2 5 ) 式中，e ：h 一旦+ 善代表流体微团的总能，即内能和动能之和，对于理想的 p 2 完全气体，可感焓而= 勺，对于不可压缩气体办= 红+ 妥，式中是组分 的质量分数，组分的焓定义为吩= ，c p j d t ，其中2 2 9 8 1 5 k ，气体的定压比 热在量热完全气体时是常数，在完全气体时可以选择拟合多项式；= 砖+ 七代表 有效导热系数；，是组分，的扩散通量。s 代表由于化学反应引起的放热和吸热， 或代表其他自定义的热源项。 2 1 2 湍流的模型 湍流是自然界和工程装置中非常普遍的流动类型，湍流运动的特征是在运动 过程中流体质点具有不断的随机的相互掺混的现象，速度和压力等物理量在空间 上和时间上都具有随机性质的脉动。湍流的核心特征是其在物理上近乎于无穷多 的尺度和数学上强烈的非线性，这使得人们无论通过理论分析、实验研究还是计 2 消声器计算气动声学分析基本理论 算机模拟来彻底地认识湍流都十分困难。 消声器的内部流场变成一个主要的手段。 目前，运用一些常用的湍流模型来研究 总体而言，目前的湍流数值模拟方法可 以分为直接数值模拟和非直接数值模拟方法。所谓的直接数值模拟是指直接求解 瞬时湍流控制方程。而非直接数值模拟就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设 法对湍流作某种程度的近似和简化处理。 非直接数值模拟方法可以分为大涡模拟、 依据所采用的近似和简化方法的不同， 统计平均法和r e y n o l d s 平均法。 直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 方法就是直接求解瞬 时动量方程。无需对湍流作任何简化或近似，但对计算机的内存空间及计算速度 要求非常高，目前还无法用于真正意义上的工程计算。 大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) 方法是用瞬时的动量方程直接 模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的 模型来考虑。l e s 对计算机内存及c p u 的速度要求较高，目前，在工作站和高档 的p c 机上已开展l e s 工作。 r e y n o l d s 平均法是将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化的方程中体现出来， 其核心是想办法求解时均化的r e y n o l d s 方程。此外，从工程的意义上看，关注的 是湍流所引起的平均流场的变化，是流场的整体效果。r e y n o l d s 平均法是目前适 用最为广泛的湍流数值模拟方法。r e y n o l d s 应力模型是直接构建r e y n o l d s 应力方 程，然后联立瞬态方程求解。涡粘模型是引入湍动粘度( t u r b u l e n tv i s c o s i t y ) ，或称 涡粘系数( e d d yv i s c o s i t y ) ，然后把湍流应力表示成湍动粘度的函数。目前两方程 模型在工程中适用最为广泛，最基本的两方程模型是标准k 一模型，即分别引入 关于湍动能k 方程和耗散率e 方程。 在f l u e n t 软件中，提供了许多湍流模型，如：标准k 一模型、r n g k e 模型、 r e a l i z a b l e k 一模型、雷诺应力模型和l e s 大涡模型等，本节主要介绍标准k 一模 型和l e s 大涡模型。 标准k 一模型 标准k g 模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确 的方程推导得到的，但是耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程 得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。因此，标准k 一 模型只适合完全湍流的流动过程的模拟。标准k 一模型的湍动能k 方程和耗散率 方程为如下形式【5 0 】： k 方程： 9 警+ 掣+ 学+ 掣部+ 删 + 专( ( + 箦 考 + 未( ( + 瓦以j 、t a 七z z ) 、+ p 仇一p 方程： 等+ 掣+ 挈+ 掣甜+ 制 a ，孤 巩 a z 孤li 严。仃j 孤j + 北+ 等肼北+ 等肼p g 鹏譬 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中：七= 警为湍动能g = 告( 要) ( 差) 为湍动能的耗散项，心印q 了k 2 为涡粘 性系数，仇=等f警+当l当为湍动能生成项，在fluent软件中，模型常数c1、dxd piix ；jd x 1 c 2 、q 、吼、呸的默认取值分别为c 1 2 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ，c = o 0 9 ，吼= 1 0 ，g = 1 3 。 l e s 大涡模拟模型 湍流中包含了不同时间与空间尺度的涡旋。最大空间通常为平均流动的特征 空间尺度。最小尺度为k o m o g r o v 尺度。l e s 的基本假设是：动量、能量、质量 及其它标量主要由大涡运输；流动的几何和边界条件决定了大涡的特性，而流 动特性主要在大涡中体现；小尺度涡旋受几何和边界条件的影响较小，并且各 向同性，大涡模拟( l e s ) 过程中，直接求解大涡，小尺度涡旋模拟，从而使得网 格要求比d n s 低。 l e s 的控制方程是对n a v i e r - s t o k e s 方程在波数空间或者物理空问进行过滤得 到的。过滤的过程是去掉比过滤宽度或者给定物理宽度小的涡旋，从而得到大涡 旋的控制方程 5 0 】： 挈十“墼：0( 2 8 ) d t d t 警+ 警= 毒 鼍，一考一“誓 c 2 们 式中：为亚网格应力，= p u l u j - p u f u j 。 很明显，上述方程与雷诺平均方程很相似，只不过大涡模拟中的变量是过滤 的量，而非时间平均量，并且湍流应力也不同。 1 0 2 消声器计算气动声学分析基本理论 2 2 气动声学理论 2 2 1 流场中的声源 向外辐射噪声的振动物体被称为噪声源，声源可以是固体、液体或气体。为 了抑制噪声辐射，就要了解噪声源的振动辐射特征，包括声源强度、辐射效率( 输 出的声功率与输入机械功率之比) 、声辐射的频谱特性、声源指向性以及声源的辐 射阻抗等。这些特性不仅与声源的结构组成有关，也与声源激励的方式有关。如 空气动力性噪声源中的辐射噪声、涡流噪声、旋转噪声、燃烧噪声，各有不同的 振动结构和辐射特性；而机械噪声源中的电磁、碰撞、摩擦等噪声辐射也各不相 刚5 1 1 。 气动噪声的声源主要有三种，它们是单极子声源、偶极子声源和四极子声源。 把实际的噪声模型简化成三种基本噪声源模型，对研究气动噪声问题是一条很有 效的途径。 单极子源也称为脉动球源。这种声源可以认为是一个脉动质量流的点源，如 果假想一个气球安置在这个点源，我们将观察到，该气球随着质量的加入或排出 而膨胀或收缩。这种状态总是纯径向的，在气球的这种各向同性的运动下，周围 的介质也随着做周期性的疏密运动，于是便产生了一个球对称的声场，即单极子 源。单极子源的辐射是球面波，在球面上各点的振幅和相位都相同。因此，这球 源是最理想的辐射源。单极子源的辐射没有指向特性。常见的单极子源有爆炸、 质点的燃烧，空压机的排气管端，当声波波长大于排气管直径时也可以看做是一 个单极子源。 偶极子源可以认为是相互接近，而相位相差1 8 0 。的两个单极。偶极子源的另 一种描述可认为是由于气体给气体一个周期力作用而产生的。常见的偶极子源如： 球的往复运动，乐器上振动的弦，不平衡的转子以及机翼和风扇叶片的尾部涡脱 落等。偶极辐射不同于单级辐射，偶极辐射与方位角0 有关，即在声场中，同一 距离不同方位的声压不一样。例如，在o = - a ：9 0 0 的方向上，声压为零；而在0 = 0 0 ， 0 = 1 8 0 0 的方向上，声压最大。这说明偶极子源辐射具有指向特性。 四极子源是由两个具有相反相位的偶极子源，也就是由四个具有特定相位关 系的单极源组成的。因为偶极有一个轴，所以偶极的组合可以是侧向的，也可以 是纵向的。侧向四极代表切应力造成的，而纵向四极则表示纵向应力造成的。侧 向四极有三根轴、四个辐射声瓣。而纵向的只有一根轴、两个辐射声瓣。四极予 源与单极、偶极不同，围绕着四极子源的球形边界积分，即没有净质量流量，也 没有净作用力存在。因此四极子源是在自由紊流中产生的。如喷气噪声和阀门噪 声等都是四极声源，四极声源也有辐射指向特性【5 2 1 。各声源的特征比较见表2 1 重鏖莶堂堡主兰垡鲨奎 立些圣坚型1 2 呈2 1 璺：型宝壁2 墅竺璺兰2 坚宝! 声霎形翥源的箩指警图一撇嚣举例 瓦 一。 不 形 一 。 。一 ：! i 一 比于 单极 脉动流 动 朦圆 液滴燃烧 冲击式喷 玉叁垫塑 偶极黧鳓圜舢蛳v w ，m ，嚣篙 j 童堂l 星竖主 一 ，、十， 排入大 四极 气的排 气自由 隧溯 p l 2 v 3 c j ( p a v 3 m 5 、 ，喷气噪声， m 5 阀门噪声 掺混 - - - i - _ - _ _ - l _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ - - _ 一 实际存在的声源，多为各种声源的相位及时间交叉的混合，大部分是偶极子 和四极子声源的集合体。当研究噪声问题时，应先判断噪声的种类以及各个噪声 源问的相互作用。 2 2 2 气动声学基本方程 从5 0 年代l i g h t h i l l 在气动声学方面所做的开创性工作到现在，作为一门独立 的学科分支，气动声学无论是在理论上还是在实践方面都有了进一步的发展和应 用。 ( ) l i g h t h i l l 方程 l i g h t h i l l 方程对于在固体边界不起主要作用的地方，如喷气噪声问题，基本理 论是适用的。莱特希尔方程的基本方程可以表述如式2 1 0 ： 睾却2 胪矗 眨 其中： o = p - p o 弓= p u f “一e u + 6 ，【( p 一风) 一露( p p b ) 巧被称为l i g h t h i l l 应力张量。 仔细观察l i g h t h i l l 基本方程可以发现，方程两边的变量是相互包含的。原则 上可以从这一方程出发有解析或数值方法获得其解。然而，实践证明这条道路在 1 2 2 消声器计算气动声学分析基本理论 绝大多数情况下是行不通的，其原因在于p 一9 0 是一极小的量，即数值计算发展到 今天，要从该方程获得收敛解并保证p 一9 0 适当的精度几乎是不可能的。因此， l i g h t h i l l 提出，如果我们将方程右边看成源项，则方程是一个典型的声学波动方程， 可以用己成熟的古典声学办法来获得其解。而对于右边的应力张量，可以通过实 验或其他途径( 比如，从流体力学基本方程直接数值计算) 来获得。l i g h t h i n 所提 出的这种声类比或声比拟方法在实际问题中获得了极其成功的运用【8 】。 c u r i e 理论 c u r i e 用基尔霍夫方法首先将l i g h t h i l l 理论推广到考虑静止固体边界的影响。 结果表明，固体边界的作用相当于在整个固体边界上分布偶极子源，且每点偶极 子源的强度等于固体表面该点作用在流体上的力的大小。因而，在这种情况下， 声场是由四极子源和偶极子源叠加组成的。c u r i e 理论成功的解决了诸如湍流中静 止小物体的风鸣声、圆柱漩涡脱落诱发的噪声等问题。c u r i e 方程如下式： 4 耐力= 去f f c 涵卜毒矿 尚 2 y 汜 这个方程是1 9 5 5 年c u r i e 给出的，现称为c u r i e 方程【5 3 1 。 f w - h 方程 福茨威廉姆( f f o w c sw i l l i a m s ) 和霍金斯( h a w k i n g s ) 应用广义函数法将c u r i e 的结果扩展到考虑运动固体边界对声音的影响，即物体在流体中运动的发声问题， 得n - 个较为普遍的结果一福茨威廉姆霍金斯方程，简称f w - h 方程。方程描述 如下： 4 嘲蹦，2 志去“南l 必 一去飘 南l 粼) 眨 j 4 1 r , c ；o x 、i l 尺p a j 蟛1 手 + 去去埘砷p 地v f v jl l 彬 这方程是1 9 6 9 年福茨威廉姆( f f o w c sw i l l i a m s ) 和霍金斯( h a w k i n g s ) 给出 的。式中，v ( 0 y 寸除物体之外的空间体积；a j 为物体运动的加速度；在式中，可以 看出，第一项是运动7 1 起的四极子源；第二项是物体表面作用在流体上的力7 1 起 的偶极子源；第三、四项是由于物体位移引起体积变化所形成的偶极子源和四极 子源隅1 。 重庆大学硕士学位论文 2 3 计算流体声学的方法 随着技术的发展，噪声测量技术已经比较成熟，但是直接从流体噪声的产生 机理进行噪声分析仍然相当困难，流体噪声的数值分析计算将是一件非常有意义 的事情。国内外很多学者和工程人员做了很多这方面的工作，综合看来，计算流 动噪声大概有以下三种方法。 q c a a 方法 作为气动声学和计算流体力学结合的- - 1 q 交叉学科分支，计算气动声学自8 0 年代中期开始逐步的兴起发展，它的基本思路是基于n s 方程或欧拉方程求解以 获得声场。c a a 方法用来精确捕捉非定常流和辐射特性，时间和空问的差分格式 通常要求具有四阶或者六阶甚至更高的精度。c a a 方法通过求解瞬态n s 方程来 求解流场的压力脉动，是除d n s 方法外的最直接的计算方法，但是c a a 方法仍 然有很多局限性，一是计算量仍然极大，对计算机设备有着很高的要求；二是计 算的声场和流场的特性存在极大地差异，在低马赫的条件下表现得更为明显，这 些都导致了c a a 方法对网格尺度、计算时间以及离散格式都有着非常高的要求。 目前c a a 方法还在发展中，尚未进入工程应用阶段。 c f d 软件中的声学模型 在通用的c f d 软件，如f l u e n t ，s t a r - c d ，c f x ，c f d + + 等等中一般都内置有 基于稳态或瞬态流场计算的声学模型，一般的思路是：计算流场_ 然后用声拟理 论将流场数据转化为声源_ 计算声场辐射。使用这些现有的内置模型有很多好处， ，它将声音的产生和声音的传播分别计算，声源由自由流场的非稳定性得到，传播 则是声源信号在稳定流场介质下的传播，这样计算量和计算格式要求低，大大降 低了对c f d 计算的要求。这种方法不能考虑结构和声学装置的影响。