（工程热物理专业论文）腔体流动噪声的数值模拟与实验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 低速湍流流经腔体时会引起腔体内部流场自激振荡并向外辐射噪声。在航空 航天领域，腔体流动现象很早就引起了人们的注意，并对其进行了大量的研究。 近年来，如何降低车辆噪声受到了很大的重视，腔体流动噪声就是车辆中常见的 噪声源，如来流流经开着的车窗或门的密封处发出噪声。减小腔体流动噪声能改 进乘坐的舒适度，减轻车辆对环境的噪声污染，具有重要的学术意义和实用价值。 本文对低速湍流流经腔体时腔体内流动及腔体辐射噪声进行了数值模拟。流 场的计算使用大涡模拟模型，获得流场数据后使用混合方法应用f w - h 声学类比分 析得出了由流动诱发的噪声。混合方法把计算区域分成了声源区和声辐射区，在 不同区域上应用不同的控制方程，能够分离计算长度，减小运算量。作者对宽 l = 1 6 m m 、深d = 4 m m 的腔体分别取来流速度3 0 m s 、5 0 m s 、7 0 m s 进行了对比计算， 以考查不同来流速度对腔体内流动及腔体流动噪声的影响。当来流速度7 0 m s 时， 选取三种不同宽度的腔体l = 1 6 m m 、l = 1 2 m m 、l = 8 m m 进行了对比计算，以考查不 同腔体宽度的影响。数值模拟观察到了腔体内的流动振荡及流场与声场的耦合。 研究发现，当腔体l = 1 6 m m 、d = 4 m m 时，随流速的增大腔体内流动振荡周期减小， 腔体辐射噪声的声压能变大。当流速7 0 m s 时噪声声压级达到了 9 7 d b ，必须采取降 噪措施。流速为7 0 m s 时，随着腔体开口宽度减小，腔体内流动振荡的周期变小， 腔体辐射噪声的声压级减小，l = 8 m m 时最大声压级为7 0 d b 相比l = 1 6 m m 时( 9 7 d b ) 减小了2 7 d b ，此时流动模式为剪切层模式，这是腔体流动噪声减小的主要原因。 本文探讨了减小腔体流动噪声的措施，提出可以采用减小来流速度和减小腔 体开口宽度来减小腔体的流动噪声。为了进一步研究腔体流动噪声并检验数值模 拟结果，作者在风洞中作了腔体流动噪声实验，实验结果表明腔体流动噪声基频 和最高声压级频率与数值模拟结果符合得很好。 关键词：腔体流动，腔体流动噪声，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t s e l f - s u s t a i n e do s c i l l a t i o nc a nb ec a u s e db yal o w - s p e e dt u r b u l e n tf l o wo v e ra n o p e nc a v i t y , 嬲w e l l 嬲n o i s er a d i a t i o n i nt h ea e r o s p a c ei n d u s t r y , t h eu n d e r s t a n d i n go f c a v i t yf l o wp h e n o m e n ah a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n , w i t has i g n i f i c a n ta m o u n t o fr e s e a r c hb e i n gc a r r i e do u t f o rr e c e n ty e a r s ，v e h i c l en o i s eh a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l e a t t e n t i o n c a v i t yn o i s e i sac o n l n l o ns o u r c eo f n o i s ei nv e h i c l ea e r o d y n a m i cn o i s ed u et o t h ef l o wo v e rc a v i t i e ss u c h 鹪o p e nw i n d o w so rd o o rs e a l s t h er e d u c t i o no fs u c hn o i s e c a ng i v eac o m f o r t a b l ei n - c a rc o n d i t i o na n dr e d u c en o i s er a d i a t i o nt ot h es u r r o u n d i n g s ， a l lw h i c hc a no f f e rs o c i a la n dc o m m e r c i a la d v a n t a g e s t h ef l o wm e c h a n i s ma n dr a d i a t e dn o i s eb yal o w s p e e dt u r b u l e n tf l o wo v e ra n o p e nc a v i t yh a sb e e ni n v e s t i g a t e dc o m p u t a t i o n a l l y a f t e ra c q u i r e dt h ef l o wf i e l dd a t a w h i c hi so b t a i n e db yu s i n gl a r g ee d d ys i m u l a t i o n , h y b r i dm c t h o dt h a tc o u p l e s n u m e r i c a lf l o w c o m p u t a t i o n s w i t ha n i m p l e m e n t a t i o n o ft h ef f o w c s w i l l i a m s h a w k i n g se q u a t i o ni su s e dt oc a p t u r et h ef l o wi n d u c e dn o i s e h y b r i dm e t h o d ， w h i c h s p l i tt h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i ni n t oas o u r c er e g i o na n d a p r o p a g a t i o nr e g i o n , c a n s e p a r a t ed i f f e r e n tl e n g t hs c a l e s ，a n dr e d u c ec o m p u t a t i o n a ld e m a n d i n g i no r d e rt o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fi n c o m i n gf l o wv e l o c i t y , d i f f e r e n tf l o ws p e e d s ( s u c h8 8 3 0 m s ，5 0 m s ，7 0 m s ) a r eu s e df o rt h ec a v i t yw i t hw h i c ht h el e n g t hl = 1 6 m ma nt h e d e p t hd - - - 4 m m a n dd i f f e r e n tc a v i t yl e n g t h s ( s u c h 船l = 1 6 m m ，l = 1 2 m m ，l = 8 m m ) a r e a l s ou s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fc a v i t yc o n f i g u r a t i o nw h i l et h ev e l o c i t yo f i n c o m i n gf l o wi s7 0 m s s e l f - s u s t a i n e do s c i l l a t i o ni nc a v i t ya n dt h ec o u p l i n gb e t w e e n f l o wf i e l da n dr a d i a t e dn o i s ea r eo b s e r v e di n a l lt h e s ec o m p u t a t i o n s f o rc a v i t y c o n f i g u r a t i o nl = 1 6 m ma n dd = 4 m m ，t h et i m eo fo n ec a v i t yo s c i l l a t i o np e r i o dd e c r e a s e w h i l et h es o u n dp r e s s u r el e v e l ( s p l li n c r e a s ew h e nt h ev e l o c i t yo fi n c o m i n gf l o w c h a n g i n gf r o m3 0 m st o5 0 m s ，a n da tl a s t7 0 m s w h e nt h ev e l o c i t yo f i n c o m i n gf l o wi s 7 0 m st h es o u n dp r e s s u r el e v e lo fr a d i a t e dn o i s ei su pt o9 7 d bw h i c hi sh i g h e ft h a n l i m i t a t i o n a st h ec a v i t yl e n g t hlc h a n g i n gf r o m1 6 m mt o8 m m ，t h et i m eo fo n e o s c i l l a t i o np e r i o dd e c r e a s e 嬲w e l l 嬲t h es o u n dp r e s s u r el e v e l ( s p l ) o ff l o wr a d i a t e d n o i s e t h ev e l o c i t yo f i n c o m i n gf l o wo ft h e s ec o m p u t a t i o n si s7 0 m s w h e nt h ev e l o c i t y o fi n c o m i n gf l o wi s7 0 m s ，t h em a x i m u ms p lo ft h ec a v i t yw i t ht h el e n g t hl = s m mi s 7 0 d bw h i l et h ec a v i t yw i t ht h el e n g t hl = 1 6 m mi s9 7 d b t h et r a n s i t i o no f f l o wm o d ei s t h em a i nc a u s eo f s u c hr e d u c t i o n i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 t h er e d u c t i o no fc a v i t yn o i s ei sa l s od i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e c a v i t yn o i s e e x p e r i m e n ti sc o n d u c t e di nw i n dt u n n e la n dt h er e s u l ti ss h o w ng o o da g r e e m e n tw i t l l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：c a v i t yf l o w , c a v i t yn o i s e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l l i 主要符号表 p 一压力p a p 一密度k g m 3 岳一沿xz 方向的单元体中心的位移m 叩一切变粘滞系数 磊一克朗内克符号，f = _ ，时磊= l ；i * j 时6 u ：0 岛压缩张量 y 一近场内一点的坐标 工一声场远场观察a 点的坐标 c o 一声速m s t o - - l i g h t h i l l 应力张量 k - - l i g h t h i l l 常数，实验值约为3 x 1 0 4 q 。观察区均一介质平均速度分量m s 碰2 第二类零阶h a n k e l 函数 = l 一膨2 一p 啪d t i g l a u e r t l 霾子 膨一马赫数 算一观察位置 ，一声源位置 p 一密度扰动，= p 一成 p 一压力扰动，p ，= p 一儿 一流动速度 乃粘性应力张量。 v l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 十l y 山， 学位论文作者签名：袁，i ；乙彳手签字e t 期：仉叼年月芗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：袁，睫择 签字日期：调年6 月f 日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 l绪论 1 1 气动声学概况 从史前以来，人们对由流体运动而产生的声音己十分熟悉。在空气中的声音， 人们称之为气体动力声，在液体中的声音则称它为流体( 水) 动力声。风吹过树 枝所产生的啸声、管乐器和水壶的唿哨声以及人的口哨声等，都是普通的气体动 力声源的实例。尽管人们长期与这种不可见的声源相处在一起，可是直到第二次 世界大战结束时，人们对它的了解仍然很少。涡轮喷气式飞机和火箭，这两个世 界上最大的气体动力声源的出现促使一些优秀的科学家进行了一系列关于气动声 学的研究，并用了几年的时间初步建立起了气动声学领域的理论基础。 气动声学( a e r oa c o u s t i c s ) 以气体流动所产生的噪声为主要研究对象，研究它 的噪声源、气体流动和结构参数的影响、噪声级的理论估计方法以及降噪措施等 内容。由此可见，气动声学是介于气体动力学和声学这两门学科之间的- - 1 2 交叉 性和边缘性学科。当今国内外从事气体动力学和声学研究的工作者，都怀着很大 的兴趣对气动声学进行研究，当然，研究的侧重点各有不同。 气动声学与近代古典声学相比还是- 1 7 新兴学科，近代古典声学可以说是伟 大科学家伽利略开创的，他在1 6 3 8 年刊出的“有关两种科学的对话”中讨论了单 摆和弦的振动、频率等。从此开始直到1 9 世纪末几乎欧洲所有重要的物理学家和 数学家都在声学基础理论中做出了重要贡献，1 8 7 7 年r a y l e i g h 深入总结已有成就并 加以发展写成t t h e o r yo f s o u n d ，由此可见古典声学的研究已3 0 0 多年了。而气动 声学如果以1 9 5 2 年英国数学家l i p 出t h i l l 发表题为o ns o u n d g e n e r a t e d a e r o d y n a m i c a l l y f f j 文章为标志，发展至今仅5 5 年，至于它的研究成果在工程技术 上的应用，时间就更短了，因此气动声学目前仍属- - 1 2 新兴的，还在迅速发展的 学科。 气动声学在近二三十年才获得发展，其主要原因有两个：一是由于第二次世 界大战后，大型喷气式飞机问世所带来的巨大噪声污染，以及近几十年来，随着 世界各国对环境保护工作的重视而不断要求降低诸如通风、空调、冷却器、汽车、 高速列车等系统中出现的气动噪声污染所致。二是气动声学发展必须建立在气体 动力学和声学这两门学科本身发展的基础上，两门学科都有一些尚未完全解决的 一些难题，如气体动力学中湍流流动和非定常作用力的研究，以及声学中的湍流 气流中运动的固体壁面所产生的声辐射场的估计等。因此气动声学的研究，无论 从理论计算还是从实验研究上来说都是有相当难度的。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 气动声学理论的发展 1 9 5 2 年，英国数学家l i 西1 m i l l 1 】运用“声学类比”的方法得出了著名的l i g h t h i u 方程，该方程成为研究气动声学的基本方程。人们普遍把l i g h t h i l l 这项开创性的工 作当作气动声学诞生的标志。从此，气动声学作为- - n 独立的学科分支不断地完 善和发展。 l i g h t h i l l 方程是在自由空间假设下得到的，故对于固体边界不起作用的地方， 如喷流噪声问题，l i g h t h i l l 的基本理论是适用的。然而，实践证明，对于湍流中静 止物体的发声、运动物体的发声问题，固体边界的影响有着决定性的意义。因此， 研究流体与固体边界相互作用的发声问题具有重要的实际意义。1 9 5 5 年，c u r l 【2 j 将l i 吐m i l l 的理论推广到考虑静止边界的影响。c u r l 的研究结果表明，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 面在该点受到的流体施加的力的大小。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 l 的理论成功地解决了诸如湍流中静止的小物体的风鸣声、圆 柱旋涡脱落诱发的噪声问题。但是，c u r l 理论并不能解决诸如风扇、螺旋桨、旋翼 等运动固体边界的发声和噪声预测问题。为了将问题简化，1 9 6 5 年，l o w s o n t 3 1 研 究了自由空间中的一个运动奇点的声场特性，这些奇点可以是集中的单极子、偶 极子或四极子源。经l o w s o n 简化后得到的结果，对于解决运动固体边界与流体相 互作用的发生问题有一定启发，并直接用于建立风扇、螺旋桨、旋翼的噪声模型， 推动了早期的气动噪声预测。 1 9 6 9 年， f f o w c sw i l l i a m s 和h a w k i n g s 【4 】将c u d e 的结果扩展到考虑运动固体边 界对声场影响，得到了著名的f w - h 方程。它运用广义函数理论和声学类比的思想， 将流体力学的纳维斯托克斯方程重新整理成非齐次波动方程的形式，从而得到的 一个较为普遍适用的结果。f w - 1 1 方程被认为是迄今为止l i g h t l u l l 声学类比法的最 一般的表达形式，表现出了重要的理论价值，成为气动噪声预测问题的理论依据。 1 3 腔体流动噪声问题的提出 低速湍流流经腔体时向外辐射的流动噪声( 以下简称腔体流动噪声) 的研究 是气动声学研究的一个重要方面。在运输系统中腔体流动噪声不仅是非常普通的 噪声源，而且腔体的存在能增加系统的阻力。因此对腔体内部流动机制和腔体流 动噪声的研究很早就引起了许多科学家的重视，这最早可以追溯到1 9 5 5 年 k r i s h n a m u r t 1 和r o s h k o 6 】所作的研究工作。早期对切向气流流经腔体的流动( 以 下简称腔体流动) 及腔体流动噪声的研究主要来自航空航天领域，但是腔体流动 噪声也是汽车、火车等气动噪声的主要来源，如流动流过开着的车窗及门的密封 处或车厢连接处的噪声，这些噪声的消除会带来很大的商业收益，所以引起了很 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 多汽车生产厂家、火车运营公司及研究组织的兴趣，并作了大量的研究工作。 近年来由于计算机计算能力的提高，计算气动声学( c a a ) 迅速发展起来， 用数值模拟方法对腔体内流动机制及腔体流动噪声进行研究，可以观察到实验中 难以观察到的量的变化，对进一步理解腔体流动噪声的产生有极大帮助，还可以 对某些产品的设计提供参考。 本文使用数值计算方法对湍流流经车辆门缝处腔体的流动及气动噪声产生机 制进行了研究，期望对腔体内流动振荡和腔体流动噪声产生机制进行进一步的探 讨。最近的文献表明【7 】( 3 】使用数值计算方法对二维腔体流动噪声研究是可行的，它 们将作为本文的参考。 1 4 腔体流动噪声的研究现状 由于腔体流动噪声广泛存在于运输系统中，对腔体内部流动现象的理解很早 就受到重视。1 9 5 5 年，k r i s h n a m u r t y 就研究了气动表面长方形腔体的声辐射问题。 同年，r o s h k o 进行了长方形腔体内流动的测量。1 9 6 1 年，c h a r w a t 等把腔体内的流 动类型分类为剪切层模式和尾涡模式。剪切层模式是指分隔的剪切层从腔体开口 上横跨过去，没有大尺度涡的脱体；尾涡模式是指剪切层在腔体内贴附在底部， 腔体内部流动表现为大尺度上的不稳定性，并出现大尺度涡脱体。作者认为，对 于来流是带有湍流边界层的超音速流和亚音速流动，尾涡模式腔体绕流的发生的 条件取决于腔体宽深比l d 。1 9 6 6 年，r o s s i t e r t 9 对来流为亚声速和超声速流体流 经腔体的情况进行了风洞中的实验研究。1 9 7 0 年，h e l l e r 等 1 0 】研究了浅腔体中流动 引发的压力振荡问题，并修改了用来预测振荡频率的r o s s i t e r 公式。1 9 7 5 年，s a r o h i a 指出对上游来流边界为层流亚音速流动的腔体流动，剪切层模式与尾涡模式的分 界线在l d * 7 8 附近。并且根据流动显示出的声学共鸣类型，尾涡模式腔内流 动又分为浅腔体和深腔体两种。当流动呈现出声学共鸣特性时，浅腔体( l d 1 ) 的代表性声波是纵向的，深腔体( l d 1 ) 的代表性波是横向的。1 9 7 6 年，t a m “1 进 行了二维长方腔体中声模式的研究，并指, m , r o s s i t e 方程不能很好预测马赫数小于 0 2 的压力波的峰值频率。1 9 7 7 年，s a r o h i a 1 2 】实验研究了浅腔体内部的流动振荡， 并把浅腔体取宽深比( l d ) 小于l ，深腔体l i d 大于1 。1 9 7 8 年，r o c k w e l l 和 n a u d a s c h e r l l 3 1 认为腔体内流动振荡的“自激”特性是由以下各步往复循环而引起的： 初始涡结构对腔体内下游边角处产生冲击；冲击反作用于上游；被上游剪切层吸 收并转化为速度扰动；扰动被放大；增长为涡结构。1 9 8 0 年，r o n n e b e r g e r t 4 所作 的实验为流体弹性相互作用机制预测提供了对比数据，流动可视化显示了剪切层 的特征，另外此文章还报导了其他的流动特性如腔体上游边界层分布和剪切层转 移。1 9 8 7 年，g h a r i b 和r o s h k o 1 5 】为研究不同腔体尺寸的阻力特性进行了水槽实验， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 实验发现极小l d 的腔体内流动不发生振荡，在高u d 值的腔体中只观察到了第二 和第三剪切层振荡模式，当i _ , d 的值再增加时腔体剪切层开始滞塞于后壁之前并形 成了尾涡模式( w a k em o d e ) 。文中给出了不同振荡条件下沿来流方向的速度分布 与雷诺应力分布，并给出了上游与下游壁面的压力系数与阻力系数。1 9 8 7 年， e r i c k s o n 和d u r g i n t l 6 1 研究了深腔体中的驻波与剪切层不稳定性之间的相互作用。作 者通过不同速度下压力波谱证实了波型的振幅随马赫数增加而增加，流动的可视 化显示在较低速度时腔体内出现了双涡结构，而在更高的速度下只会有单涡结构。 同年，j u n g o w s k i t l 7 】等研究了在管道系统中分支管路深圆柱型腔体的影响。文章描 述了分支管路中流动参数与边界条件对纯音产生和纯音振幅的影响，分支管路中 振荡为1 4 波长的奇数倍，研究发现净声能量辐射或吸收依赖于流动属性、声场属 性及流动与声场的相互关系。长期以来由于缺乏腔体流动的精确数学模型，所作 的研究工作主要是实验性的。即使是已经发展出的理论模型，在很大程度上也是 半经验性的，仅仅能预测可能的共鸣频率。 随着计算机能力的提高，数值模拟的方法越来越多的被应用在腔体流动噪声 的研究中。1 9 9 2 年，f u g l s a n g 和c a i n r l 8 1 使用数值模拟方法研究了剪切层腔体共鸣机 制，他们在上游流动使用了b a l d w i n l o m a x 湍流模型，在腔体区域使用d n s 模拟， 主要研究强迫剪切层作用。1 9 9 2 年，p l e n t o v i c h e l 9 1 通过实验固定腔体口部边界层厚 度而改变雷诺数与马赫数，得出在亚声速跨声速腔体流动中雷诺数对振荡频率影 响很小，作者研究了能产生剪切层模式及尾涡模式的腔体流动，指出剪切层模式 与尾涡模式流动的判断尺度并非只依赖于腔体尺寸( 【d ) ，它也依赖于流动的马 赫数。1 9 9 2 年，k i m 和c h o k a n i t 2 0 使用雷诺平均模拟方法( r a n s ) 研究了超音速 腔体流场的被动控制，文章使用t c e b e e i 和s m i t h 的两层代数湍流模型，计算得 到的壁面压力与实验数据符合的很好。1 9 9 5 年，h a r d i n 和p o p e t 2 1 1 用数值方法研究 了流动经过二维腔体的声音产生。他们通过流函数方程结合流体动力学压力泊松 方程来来研究不可压缩粘性流体的动力学问题，然后他们导出了声学量的差分控 制方程，并使之与流体动力量联系起来，使用m a cc o r m a c k ( m c c o r m a c k ) 算法求 解声学方程。 1 9 9 9 年，c n o g e r 辛1 j c p a 仃“2 2 】实验研究了t g v 火车( 法国巴黎和里昂间高速 火车) 可伸缩连接凹槽装置内的流动噪声，并提出了相应的减少噪音的方法。可 伸缩连接凹槽是位于火车动力车和第一节车厢之间的连接装置，研究表明，在时 速超过3 0 0 k m h 时，腔体流动噪声是火车重要的噪声源之一。研究者在低亚音速风 洞中研究了1 7 真实火车大小的模型，并分别对带伸缩凹槽和不带凹槽两种情况进 行了实验。研究表明腔体后部壁面前是流动最复杂、湍流度最高的区域，也是噪 声产生的最重要的区域。作者提出可以在火车连接装置来流方向上游包裹防护壳 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 以减小噪音。这样使凹槽腔体内流体的贴附点向后移动，减小了下流剪切层的湍 流度，同时减小了辐射噪声。1 9 9 9 年，c o l o n i u st 和b a s ua j 【2 副用实验方法进一步 研究了来流处于亚音速时，腔体流动中的两种流动状况，并认为关键性参数可能 是l 8 0 而不是d 8 0 ( l ，d ，8 0 分别为腔体的宽度，深度及来流方向的动量厚度) 。2 0 0 0 年，x a v i e rg l o e r f e l t 和c h r i s t o p h e8 a i l l y 【2 4 】使用直接数值模拟方法研究了马赫数为 0 5 时，非稳态流体流经一个二维腔体时绕流噪声问题。采用直接数值模拟方法求 解二维的可压缩纳维斯托克斯方程组，并着重研究来流边界层厚度对辐射声场的 影响，为了确保数值计算稳定性，壁面用内点外推法施加了无滑移边界条件。腔 体尺寸l d = 4 ，选用l 8 0 1 a - 6 3 和l 8 0 2 - - - 2 8 0 两种情况进行了模拟与对比。l 8 0 1 2 6 3 对应 着腔体内部流动的剪切层模式，l 8 。2 砭8 0 则是尾涡模式。经研究发现两种模式下 的辐射声场有着很大的不同。剪切层模式时声场中占支配地位的频率是对应 r o s s i t e r 模式2 的单频率；当处于尾涡模式时，因为涡旋对腔体下游边缘处的冲击， 声场方向性更加强烈，波谱更复杂，显示出的宽频特性更明显。 2 0 0 2 年x g l o e r f e l t 和c b a i l l y 2 习等使用直接数值模拟方法和混合方法对流体流 经腔体时的绕流噪声进行了计算与分析，之后再用混合解法求解此气动声场，并 与直接数值模拟方法的求解结果进行了比较。研究发现波动外推法如k i r c h h o f 坊法 或f w - hw e m 方法更不易受控制面位置影响，并且是扩展近场计算气动噪声结果 到远场的有力补充工具。声学类比方法效率较波动外推法低，其原因是求解了体 积分及对切断效应的敏感，但声学类比方法可分离直射波与反射波，这对于分析 辐射类型十分有用。2 0 0 2 年，g b a s h e r o f i 和k t a k e d a 2 6 使用混合方法研究了低速 湍流中二维腔体的噪声。在流场计算中采用k - c o 模型，声源计算中应用了f w - h 方 程，腔体部分采用二阶空间及时问离散结构。作者发现腔体开口部的流动主要取 决于剪切层的时间依赖性和进出腔体主体的质量波动。剪切边界层的起伏与腔体 振荡有一致性，腔体内压力和密度大幅振荡造成了噪声传播。增加来流速度极大 地增加噪声的振幅和振荡的频率，但对振幅的影响比对振荡频率的影响更大。同 时来流速度的增加还会一定程度改变声场传播的方向性，增加噪声向上游方向传 播的程度。 1 5 课题的提出及意义 腔体流动噪声的存在不但会影响车辆的乘坐舒适度，而且长期处在噪声环境 中会造成听力受损，影响人的健康，造成周围环境的噪声污染。对腔体流动噪声 的研究是从航空航天领域开始的，虽然已经研究了相当长的时间，但还有许多问 题没有解决，如对腔体流动噪声的准确预测及减小腔体流动噪声的方法等。随着 中国经济的高速发展，越来越多的轿车进入家庭，同时铁路的不断提速也使得交 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 通工具的噪声影响更加明显。腔体流动噪声是交通工具主要的噪声源之一，本论 文提出了研究腔体流动噪声的课题，不论从工程应用还是从理论研究方面来看， 都具有十分重要的意义，具体来说有以下几点： 1 本课题可以提供在工程应用中现实可行的噪声分析方法。当前多数研究者 在进行腔体流动噪声的分析中，对流场的模拟多用直接数值模拟方法( d n s ) ，直 接数值模拟方法虽然能够捕捉流动的细节，对噪声的分析十分有利，但是对计算 机计算能力的要求非常高，目前还只能在大型机上对流速不太高、流动模型不太 复杂的腔体流动问题进行研究。还有一些研究者使用雷诺平均模型进行流场的模 拟，雷诺平均模型对计算机计算能力要求不高，即使在普通的台式机上也可以开 展研究，但是雷诺平均模型只能给出统计平均量，而气动噪声和湍流脉动密切相 关，雷诺平均数值模拟方法不能满足要求。 为了尽可能多获得脉动信息而又容易在工程中实施，本课题采用大涡模拟 ( l e s ) 方法对流场进行模拟。大涡数值模拟的思想是：大尺度脉动用数值模拟方 法计算，将小尺度脉动对大尺度运动的作用作模型假设。大涡模拟与直接数值模 拟方法相比极大地降低了对计算机的要求，与雷诺平均方法相比又能够提供尽可 能多的脉动信息，是一种有望在工程实际中推广的方法。 2 腔体内流动受许多参数的影响，如来流速度、腔体尺寸等，每个参数改变 时都会对其产生影响。同时腔体流动噪声与流场存在耦合关系，不同参数对腔体 流动噪声的影响尚待进一步考查。通过本课题的研究可以进一步理解腔体内部的 流动机制及腔体绕流噪声的产生机制，为更进一步的研究打下基础。 3 当今世界高速交通蓬勃发展，腔体流动噪声的危害日益明显，因而受到了 众多研究组织的重视，并提出了许多降低腔体流动噪声的措施。从我国来看，高 速交通刚刚起步，发展前景广阔，只有加紧对腔体流动噪声的研究才有可能掌握 主动性，不受制于人。 1 6 本课题的研究内容 腔体内流动具有自激振荡性质，并且腔体流动噪声的声场与流场具有耦合关 系，为了进一步研究腔体内部的流动振荡与腔体流动噪声之间的耦合关系，并提 出降低噪声的方法，本文将从以下几个方面进行研究： l 腔体流动噪声的数值模拟 目前来流速度及腔体宽度对腔体内流动和腔体流动噪声的影响尚不明确。本 文将选用多个来流速度及腔体宽度进行对比计算，期望得出一定的规律。 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 腔体流动噪声的实验研究 通过实验研究验证数值模拟的正确性。 3 减小腔体流动噪声的措施 车辆中腔体流动噪声的危害已经逐渐引起了人们的重视，如何将腔体流动噪 声降到最低成为了众多研究者面临的难题，在本文中将探讨减小腔体流动噪声的 措施。 7 重庆大学硕士学位论文2 腔体流动噪声的物理原理 2 腔体流动噪声的物理原理 2 1 声学基本知识及理论 声音分为乐音和噪声，乐音是有规律振动产生的声音，而噪声是一种不需要 的、讨厌的声音。声音是客观存在的物理现象，它的存在必须具有两个条件：( 1 ) 有 作为声源的振动物体；( 2 ) 有能够传播振动的介质。声音可以简述为声源的机械振动 在周围介质中的传播现象。振动是声波的产生根源，而声波是振动的传播过程。 一切连续的弹性物质都可以作为声传播的介质，声波可以在固体、液体和气体中 传播。 2 1 1 噪声量度 衡量噪声大小有很多物理度量和主观评价量，下面简介其中几种度量。噪声 物理量变化范围很大，一般用分贝来表示物理量的相对变化。 声压级l ，：= 2 0 l g 旦，其中p o = 2 x l o - 5 p a ，为听阈声压；p 为某点的声 p n 压。 声强级l ：在声传播方向上单位时间垂直通过单位面积的声能量，称为声强，。 ，= 三t rp ，( f ) “( f ) 出，其中，( f ) 为声压，“( f ) 为介质质点振动速度；= l o l g - 砉， u 其中厶为参考声强，厶= 1 0 。1 2 w m 2 。 声功率矽及声功率级易：声源在单位时间内辐射的总能量称为声功率。声强， 与声源辐射的声功率w 的关系为：，= 冬，式中s 为波阵面面积。 j 声功率是衡量噪声源的声能输出大小的基本量，可广泛用于鉴定和比较各种 声源。声压常依赖于很多外在因素，如测量的距离、方向、声源周围的声场条件 等。但在声学测量技术中，直接测量声强和声功率的仪器比较复杂、昂贵。声压 很容易测量，可以在某种条件下利用声压来计算得出声强和声功率。当声音以平 ，、2 面波或球面波传播时，声强与声压的关系为：，：i 盟，式中p 为介质密度，c 为 p c 声速，班称为介质的特征阻抗。 计权声级：相同强度的纯音，如果频率不同，人们主观感觉到的响度是不同 的。在评价一种声音的大小时，为了要考虑人们主观上的响度感觉，设计测量仪 器时对不同频率声音给予适当增减，这就是频率计权，经频率计权后测量得到的 分贝数称为计权声级。a 声级与人的主观感觉是一致的，应用最为广泛。 重庆大学硕士学位论文 2 腔体流动噪声的物理原理 噪声频谱：声级并不反应噪声频率信息，声级相同的噪声频谱可能相差极大， 不同频率的噪声给人的感觉不同。声级反应的是噪声大小，而频谱反应的是噪声 的“品质”。噪声频率为2 0 2 0 0 0 0 h z ( 人耳能听到的声音频率范围) ，一般把这一 宽广的频率变化范围划分为频带，测出各频带的噪声强度就可以得到噪声频谱。 为测量噪声而设计的滤波器有倍频带、l 3 倍频带滤波器等，频带越窄，噪声频谱 分析得越细，相应的带通滤波器越多。1 ，3 倍频带滤波器其高低截止频率之比为： a , = 2 “3 频带的中心频率五为：f o = z 五。1 3 倍频噪声频谱的中心频率为：2 0 ， 2 5 、3 1 5 、4 0 、5 0 、6 3 、8 0 、1 0 0 、1 2 5 1 6 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 1 5 、4 0 0 、5 0 0 、6 3 0 、8 0 0 、 l k 、1 2 5 k 、1 6 k 、2 k 、2 5 k 、3 1 5 k 、4 k 、5 k 、6 3 k 、8 k 、1 0 k 、1 2 5 k 、1 6k h z 。 2 1 2 波动基本方程 声是气体、液体或固体介质的振荡运动。通常，人们在声学问题中必须处理 的振幅值是很小的，因此，非线性影响几乎是可以忽略的。此外，由于声的吸收 在大多数介质中是很小的，可以认为在声场中总的机械能量为常值。这样，对于 气体或液体介质中的声场来说，仅有的重要影响就是惯性和压缩性。 如果我们对气体或液体的一个小单元体应用最简单的力学定律，如图2 1 ， p 可以得出下式： 图2 1 流体中的小单元体 f i g 2 1s m a l le l e m e n tf i x e di nf l u i d p c p + 詈蛔) ) 蝇战= 凼觇如擎 一安= p 生d 笔r - - - t 0 = 1 , 2 , 3 a t ) 0 式中：p 作用在介质上的压力 p 介质的密度 9 p + 罢x 出i ( 2 1 a ) ( 2 1 b ) 重庆大学硕士学位论文 2 腔体流动噪声的物理原理 螽沿薯方向的单元体中心的位移 式( 2 1 ) 只不过是牛顿第三定律。较合适的是以速度矢量 一韭 来代替位移盖。这样，可用下式代替式( 2 2 ) 一鱼：d 亟 o x , d t 式中 亟：堕+ 亟笪 d t a t a t ：盟机堕 研阮 如果我们考虑气体或液体一个小单元中质量的变化，我们得到： 害缸峨她= 。峨觇一( 肌+ 警缸) 峨觇 + p u ：缸她一( 鹏+ 三丝峨) 她挑 + 鹏缸峨一( p u 3 + 鼍譬如) 她蝇 等一妄( 艘) 式( 2 5 ) 就是流体力学中的连续方程。 气体或液体介质的状态方程可以写成： 勿= c 2 d p 式中：c 声波的传播速度 如果我们引入可压缩度k ，则有： 厅 归怯 利用式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 我们可将式( 2 3 ) 写成： 一妻= 昙o t ( 。) + 毒( 腭) 嘎码 。 式( 2 8 ) 就是流体力学中的动量方程。 利用式( 2 6 ) ，我们可将( 2 5 ) 式转换为下式： 1 0 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 a ) ( 2 5 b ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 重庆大学硕士学位论文 2 腔体流动噪声的物理原理 1 1 0 p + 旦( 肌) ：o ( 2 9 一) 7 一+ i p = u l z ) c 2a ta x , 7 、 如果介质是静止的而且声学量值的幅值是，j 、量值，式( 2 8 ) 中毒( 嗍) 项，就可 以略去。联合式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 可得： 卸毒粤o t = o 。) c 。 。 式( 2 1 0 ) 就是波动方程 2 2 声学的类比方程 2 2 1l i g h t h iii 波动方程 图2 2 声学远场与近场 f i g 2 2 ，a c o u s t i cf a rf i e l da n dn e a rf i e l d 远场) 波动方程( 2 1 0 ) 只有在介质是静止的、均匀的和声学量的幅值是微小量时才是 正确的。我们假设声场可以区分为两个区域：近场和远场，如图2 2 所示。 在近场( 声源区域) 存在着强烈的流体流动，而且部分流动能量正被转换成 声能量。这部分能量通常很小，产生的声波从源区域向外传播进远场。 在远场，流体介质是均匀的、静止的，声学量的幅值是非常小以至非线性影 响可以被忽略。因此可见式( 2 1 0 ) 只有对远场才是有效的。 为得出声发生的普遍方程，使用如下的连续性方程和动量方程： 连续性方程如下： 譬+ 兰( 鹏) = 0 ( 2 1 1 ) 重庆大学硕士学位论文 2 腔体流动噪声的物理原理 动量方程如f ： 户鲁+ 以等一詈+ 叩毒譬+ 等一了2 吩犁o u k c z z ， 户言+ 以意一嵩 瓦甓+ 蠢一了吩犁 ( 2 1 2 ) 式中：玎切变粘滞系数 磊克朗内克符号，i = j 时岛= 1 ；f 时磊= o 用虬乘以式( 2 1 1 ) 并与( 2 1 2 ) 相加，得到 昙( t ) + 杀( 驴助) = o 3 ) 式中：肌压缩张量，代表j 平面上向i 方向的应力。 在式( 2 1 1 ) 和( 2 1 3 ) 间消去腭项，可得： 睾印2 p = 鼍 ( 2 1 4 ) 式中： 乃l i g l l t h i l l 应力张量，乃= p u i u j + p v 一爵p 西 式( 2 1 4 ) 1 1 口l i g h t h i l l 波动方程，l i g h t h i l l 指出：该方程与由静止介质中的四极子 源善至所引起的声场的波动方程具有同样的形式。因此任何实际流动即自由湍流 o x , c i 的密度波动和具有音速c o 的假想静止介质中四极子源分布所引起的小振幅密度波 动之间存在着精确的类比，即静止介质中自由湍流具有四极子性质( 四极子强度 为瓦) 。这是l i g h t h i l l 对声学理论的重要贡献。在等熵自由湍流的条件下，l i g h t h i l l 应力张量乃可用下式来近似地估计； 乃= p o u f u j ( 2 1 5 ) l t | l i g h t h