（流体力学专业论文）低速气流与复杂固壁相互作用中发声现象的研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文采用实验和数值模拟相结合的方法，对莲鎏鎏与墨墨圄譬 相互作用中的鉴主婴塞进行了研究c 主要包括：贯流风叶旋转噪声的 诊断和优化设计、贯流风机全流场的数值模拟和实验研究、哨子发声 、 的实验研究和数值模拟。广r 第一章在综述文献调研结果的基础上简要介绍了贯流风机及其 爨声分墨并对开展本文研究工作的背景和意义进行了论述。 第二章分析和提出了利用虚拟压力波进行噪声诊断的思路完成 ，- 了整个计算程序的设计，并通过数值实验验证了程序的正确| 生。陬后 、t j 利用数值模拟的结果成功进行了贯流风叶新产品的开发。， 一一 7 第三章从实验和数值模拟两个方面对基亟墨垫的连毖避行了研 究。( 不仅验证了第二章所用理论的正确性：并且考察了蜗舌形状及其 、一一 位置对贯流风机噪声和风量的影响。厂百 第四章通过激光全息干涉实现了丛至查塞型的流场显示，并记录了 哨子产生的声音信号。l 通过数值模拟不仅实现了流场的动态显示并 、一。 考察了结构参数对哨子发声性能的影响。广r ， 第五章对全文工作进 亍了概括1 生总结 土竺墅燮! 鲨兰堡主兰垡堡苎 皇! ! ! 坠! ! a b s t r a c t i nt h i s w o r k ，a ne x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a l i n v e s t i g a t i o n w a s c a r r i e do u tf o rt h es o u n d g e n e r a t i o nt h r o u g ht h ei n t e r a c t i o no fl o w v e l o c i t y , f l o ww i t hc o m p l e xs o l i dw a i l s ，f o rt h eb e t t e ru n d e r s t a n d i n go f t h em e c h a n i s ma sw e l la st h e o p t i m i z a t i o no f c r o s s f l o wf a nd e s i g n t h e o r y o fn o i s e d i a g n o s i s w i t ha r t i f i c i a l p r e s s u r e m e t h o dw a s p r o p o s e da n dp r o g r a m m e d t h ea c c u r a c yo ft h ep r o g r a mw a sv e r i f i e d t h r o u g h n u m e r i c a l e x p e r i m e n t s t h e m e t h o dh a sb e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t ot h ed e s i g no fa d v a n c e dc r o s s f l o wf a n e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l dn o to n l v v e r i f i e dt h e t h e o r ys u g g e s t e d i nt h i s a r t i c l e ，b u t a l s or e v e a l e dt h e i n f l u e n c eo ft h et o n g u es h a p ea n di t sp o s i t i o no nt h en o i s ea n d v e n t i l a t i o n c a p a b i l i t y , o f c r o s s f l o wf a n t h r o u g hh o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r i cf l o w v i s u a l i z a t i o na n dt h e m e a s u r e m e n to fs o u n ds i g n a l ，f l o wf i e l do ff l u t ew a s d i a g n o s t i c a t e d t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na l s or e v e a l e dt h ei n f l u e n c eo ft h eg a sd y n a m i ca n d g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so nf l u t e ss o u n dg e n e r a t i o n 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍了声学，尤其是气动声学的研究历史对开展“低 速气流与复杂固壁相互作用中裳声现象研究 课题的背景和意义进行 了较为详细的阐述概述了作为本项研究主要应用对象的贯流风机及 其噪声方面的研究并对人们感兴趣的哨子发声问题作了简单的交 代。z t 匿n - 列举了本文的主要工作。 1 1 声掌简介 按a d p i e r c e “1 在l9 8 9 年的定义声学是关于声音的科学。而声 音又跟波动概念相联系，即振荡型扰动从源区发出并通过介质( 气 体、液体或固体) 向外传播的概念。 声学是一门既古老而又迅速发展着的掌科。自从人类诞生以来 声学现象就与人的生活密切相关语言和音乐无疑是最重要的两种。 同时随着其他自然科学的迅猛冀展和掌科交叉的兴起近年来声学 的应用已渗透到几乎所有重要的自然科学和工程技术领域形成了一 个又个独特的崭新的分支掌科。 为研究问题的需要有必要对声掌进行分类。根据分类标准的不 同声学的分类不是唯一的。从觊展进程来看声掌可以粗略地划分 为传统声学乖| 近代声学：从所研究声掌现象的物理模型来看7 w - 学- 可 以划分为线性声掌和非线性声掌。当然这两种分类方法是相互关联 的线性声学在很大程度上就是指传统声学而非线性声学则无疑是 近代声掌的研究重点。 1 1 。1 线性声学 线性声学是对实际声学的一种近似。当声压p 和标准大气压力 p , t m 满足关系式( 1 1 ) 时，就可以用线性理论进行分析 ? = 。 形胁训旷4 ， ， 线性声掌最早应用于结构振动问题其理论模型主要有如下两 种：质点振动系统和弹性体振动系统。所谓质点振动系统就是假 中国科学技术太学硕士学位论文 第一章绪论 定辛暂成振动系统的物体( 如质量块、弹簧等) ，不论其几何大小如何 都可以看成是一个物理性质集中的系统。对于这种系统质量块的质 量被认为是秦中在一府上，而整个弹簧的弹往是均匀的即认为弹性 也集中在一点上。 根据所研究问题的不同有互娄典型的质点振动系统：质点自由 振动、质点衰减振动和质点强追振动。其撮动方程分别为： 筝+ _ 萨o ( 1 2 ) 案坻f 篆坻扣q 案蝎i 篆城乒f f 其中。 ( t ) 为质量块离开平衡位置的位移。 控制方程中各参数的定义如图1 1 所示。m m 为质量块的质量k m 为弹簧的弹性常数而r m 为阻力系数，f f 为强迫力。一般来说，强迫力是 随时间周期变化的。如果强迫力是简谐变化f f 可写为： = c o s ( o ) ，)( 1 5 ) 在强迫力不是简谐变化而是任怠周期函数的，睛况 下利用付里叶变换就可以把强迫力展开成付里 叶级数其中每一写i 都是7 ；n 皆变化的。 ( 1 3 ) ( 1 4 ) il 口点攘动茉m 在实际问题中物体是有一定大小的并且物体的线度同其中振 动的传播波长常常是可比拟的此时“质点”的假定显然不再适用。 由此引入了弹性体振动系统的概念。即质量在空间有连续分布并且 空间中其一部分的质量本身还包召。着弹性和阻尼性质。运用弹性体振 动系统分析的典型j 司题包括弦振动、棒振动、膜振动和板振动。 理想的振动弦是指具有一定质量、并有一定长度、性质柔顺的细 丝或细绳。用一定方式把它张紧并以张力作为弹性恢复力进行振动。 ：雠说弹性体自身还应该4 1 有弹性。但对弦来说这一自身的弹性与 张力相r - e - ： r , , 3 , - 可以忽略。其振动方程为： ( 1 6 ) 2 行-|： 扩一西，一， = 塑舻 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 其中，玎( x ，曲为t 时亵l 弦上x 点偏离平衡的垂宣位移c ： 为振动在x 方向的传播速度，t 为张力，ps 为线密度。 捧与柔顺弦不同它被认为是坚硬的其恢复平衡的力主要由自 身的弹性产生而张力与之相比可以忽略。假设棒的截面积均匀。并 耳同一截面上各点的运动是均匀的故可用棒中川q 由的瞿墒 来代衷棒 的纵向位置。棒纵向振动的控制方程为： 0 2 告 l a 2 毒 融2c 2a 2 ( 1 7 ) 其中，( x ，t ) 为t 时刻棒上x 点偏离平衡的水平位移，c = 、彦是 棒的纵振动传播速度，e 为杨氏模量，p 为密度。 棒横向振动的控制方程为： a 4 刁 1 a 2 叩 一矿2 磊f 矿 ( 1 8 ) 其中，叩( x ，t ) 为t 时刻棒上x 点偏离平衡的垂直位移，c = 、謦， 后f 为截一转糨与棒的截面一一 把理想弦推广到二维空间就得到了理想膜的概念。膜与弦类似， 一定要把它张紧才能弓l 起振动，并且恢复其平街的力主要是张力，材 料自身的弹性同张力相比可以忽略。其振动方程为： f 等十导卜鲁【萨十万p 2 7 争 f 1 9 1 其中，7 ( x ，y ，t ) 为t 时刻膜上( x ，y ) 点偏离平衡的垂直位移， r 石 仁、p 为膜的振动传播速度，t 为张力，盯为面密度。 y 盯 板与膜在物理上的区暑口跟棒与弦的区舅类似。板恢复平衡的力主 要由自身的弹性产生。而膜主要靠张力。但板弯曲时会产生更为复杂 万 ，“t 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 类型的弹挂应力，引起复杂的应变例如板在横向受压缩时在纵向 却会伸长。纵向仲长与横向压缩之比称为泊松比。板中泊松比的存在 相当于板的杨氏模量从e 到二_ 了的等效变化。其振动穷程为： 1 一口。 菇( 导十：等等+ 等 吁+ 鲁= 。 n t 。， 其中，7 ( x ，y ，t ) 为t 时刻板上( x ，y ) 点偏离平衡的垂直位移 嚣为截面回转半径，与板的一形状一 由于线性声掌在解块结构振动发声问题方面的出色表现以至于 当1 8 7 7 年r e y l e i g h 出版其著作c i h e o r yo fs o u n d ) ) 时人们普遍认 为结构的机械振动是主要的声源“。 1 1 2 气动声掌 比较全面的气动声学e r o a c o z t s l i c s l 概念是由g o l d s t e i 矿于 1 9 7 6 年提出的。当时他的著作( 0( o u t s i d eo f t h e b o d y ) ( 1 1 7 ) 显然s 亿”征固体表面满足如下关系： 掣! 鸲掣! ：o ( 11 8 ) e t 1 a j 其中u 二为固体表面j 点的速度。为便于推导也为便于与( 1 1 6 ) 进行直观比较特引入阶梯函数： 哪，= o 胁u t s 胁i d e 笼篙 ( 1 ，9 ) m ( s ) 2 1 l ( 咖6 i ) 坳 将阶梯函数与流体力掌控侍方程相结合在忽略，卜界质量源乖，外 力的情况下可得到： 悟一割p 鄹，= 昙c 嗍，一秘郧”+ 最c 删跏 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 q ：【p o v ，+ p ( q 一匕) 】要 一纠即眦训攀 f = d 气+ 伊，( “一) 】詈 ( 1 2 0 ) 其中6 ( s ) 为d i r a cd e l t a 函数。i 为流体在固体表面的速度。 从( 1 2 0 ) 可以明显看出由于固体的存在，源项中增加了跟流体、固 体位移速率相关的声单板子和跟固体表面对流体作用力相关的声偶 穗子。当固体表面允许百i 时q 1 。f 的第二项将发挥作用，又多出 一个声单极子和声偶极子。 对内流问题由于整个流场存在非零平均速度l i g h t h i 1 1 的“声 源区 假设已无法满足同时描述声波传播也应该用对流型波动方程。 以n ：土1 n f 旦l 为声学参量p h i l l i p s m 于1 9 6 0 年导出了如下的对流 ， l ，o 型波动方程： ( 筹一毒( c2 鲁 n = 毒善+ 旦d t 仁。c p 堕d ! ) + 击b 善 2 t ， 其中，c 为当地声速，s 为比熵，v 为比热比。 l i g h t h i i l 的声学 匕拟理论已经被证明可以用来解决气动发声问 题，比如预测自由射流的噪声。然而，由于( 】1 6 ) 、( 1 2 0 ) 都是非线性 方程。在复杂流动中流场的非均匀性会导致声场分布和传播性质的 显著变化以及绕射和散射使方程的左或和右边密切相关无法把右 边的t 、当作已知。因此人们一直在从不同角度推广和发展 l i g h t h i1 1 的理论。其中最能突出声源的物理实质的是h o w e 的广 义声掌比拟理论”。 在元粘、无热 t t z 导、存在平均流动的介质中，h o w e 以总焓 h ( 列) = j 誓+ 麟+ 圭i i ( 砧) f 2 作为描述声扰动传播的参量t 结合热力掌 知识给出了如下方程。 三=甲f一丢堡互+，等告(吉+当旦，堕)+引3(。1，d瓦sc d tddd ts t 1 2 rf ic 2jc 2 lj0 f lc d f 7 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 f = 告( 吉告) + 土c 2 堡d t v v 2 f = 面f 一丁v s ( l a m bv e c t o r )( 1 2 2 ) 从( 1 2 2 ) 式可知非定常流产生噪声的最圭要的原因是l a m bv e c t o r 的分布，更进一步说气动发声的根源在于涡量和熵的分布。至此， 气动发声的物理奉质已经非常清晰。其理论基础也已比较宪备。 1 2 低速气流发声研究的背景和意义 对气动声学理论的系统研究是l i g h t h i l l 于1 9 5 2 年发起的而 气动声学早期解决的就是射流噪声问题。直到今天射流噪声问题仍 然是气动声掌研究的重要内容。 g o l d s t e i n1 根据声学比拟理论对低马赫数射流噪声做过一般性 分祈指出其声功率主要来源于前8 d 一1 0 d ( d 为喷口直径) 的掺混区。 后续更深入的研究揭示出大涡拟序结构对射流噪声的重要性初始的 大尺度拟序结构是主要的声源这一点已为共识。任一脉动都可分解 为拟序脉动和随机脉动两舌p 分前者是更重要的声源。 射流混合层中的流动和湍流统计特目j 白有自相似性其i t - 散率较 小时可认为是局部准平衡的。根据统计力学理论如果一个系统处于 平衡态则其大尺度脉动可以表示为正则摸态的线性叠加a n - 流e o 的 正贝模态是剪切流中的不稳定波所以大尺度湍流可以用不稳定波描 述。基于这种认识，c r i g h t o n ”1 ，f f o w e s w i l lj a m s k e m p t o n “”， h u e r r e c r i g h t o n “：，l i u 和m a n k b a d i 。等通过模化不稳定波或 涡配对过程计算了l i g h t h i l l 应力源和相应的声场m a n k b a d i l i u 。 里4 模1 匕了j 以序结构与时均流及随机湍流作用而发声的过程。这些理论 分析都证明了大涡结构作为噪声源的重要性。l a u f e r y e n “。通过 实验研究了涡配对与运场声压之间的关系。实验中圆管射流受到不稳 定频率波的激励脉动锁定于基频彳：稳定波和亚谐波上。 对于离亚声速、超声速射流噪声。由于湍流度加强其掺混噪声 ( s t r o u h a l 散小于0 4 ) 比亚声速射流有了进一步的提高。当喷管在非 设计工况下工作时，由于流动阻塞( 收缩喷管) 、欠或过膨胀以及激 波的存在( 缩放喷管) 射流还会有很强的阻塞噪声和与激波相关的 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 离散噪声和宽：睽噪声。圈1 2 点9 b 型的爿# 完全膨胀超声逼翻睁灞j 毛场声 亚谱。此类噪声近场强度可达16 0 d b 足以引起结构疲劳及其他有害 目12 非完，般超声m 射场声e * ( 设计ma = 2 实行ma ；1 5 ) 振动而箕r 远场噪声水平也远远 期i 耋毫现有的嗣嘴i 要求。崔正瞰波 结构对掺混噪声的影响k i m f 2 6 j 等从计算的角度作了研究结果 表明无论激波结构如何当喷管 压力为常数时其掺混噪声相同 也就是说掺混噪声几乎不受激 波结构的影响。 激波啸叫( s c r e e c ht o n e ) 是喷管在非设计工况下工作存 在的一种强噪声。t a m 川指出激 波啸叫是由一反馈机制产生的 它包含3 个基本单元：反馈声波、不稳定涡以及激波( 见图1 3o 喷 口外剪切层薄且易受激励声波与管口作用激发出不稳定涡波涡波 向下游传播时从主流获得能量并不断增强，大约经过4 ，5 个激波后， 涡波具有足够的能量与激波作 用产生很强的声波一部分声波 传至管口又激发出不稳定涡波 由此完成一个循环。 大尺度湍流不稳定涡波) 向下游传播时与激波作用产生 声波声波相互干涉产生扰动 一部分扰动的相速度相对于环 境声速达到超声速时就成为激 日j3 * & 叫& 馈t a 波宽频噪声。对此t a m 静“的一系列理论分析结果和实验比较都很 一致。 上述对射流噪声的研究取得了 艮多有价值的成果但即使是亚声 速射流其气流速度还是比较高的。对速度仅为10 2 0 米秒的低速气 流气动噪声的研究相对来说开展得较少而日常生活中气动发声现象 所涉及的速度一般都在该范畴内。因此本文尝试用直接数值模拟方 法对低速气流与复杂固臂相互作用中的各种发声现象进 亍研究以解 击实际问题。 9 中国科学技术丈学硕士学位论文第一章绪沦 1 2 1 贯泷风机冀转囔声研究的背景和意义 从生理掌和心理学的角度看噪声是指人们不需要的一切声音。 目前噪声污染已是世界上除了空气污染和水污染之外的第三大污 染对人们的身心健康都有很大的危害。贯流风机是家用空调室内机 的主要噪声源而旋转噪声在其中占有很大的比重。因此如何降低 旋转噪声已成为各空调厂家进行新产品开发所面l 临的首要问题。 l 萄 。、j 目j 4 & 7 $ l k a & 日r 目 从贯流风机旋转噪声的产生机理看a 十轮结构对旋转噪声起央定 作用因此叶轮很自然地成为研究的重点。n e i s e “总结了几种能有 效降低旋转噪声的方法：( 1 ) 将图1 4 a 所示的轴向平直叶片改装成 图1 4 b 所示的倾斜叶片”? ：( 2 ) 将叶轮与蜗舌的位置关系有图1 5 a 所示的平行改为图1 5 b 所示的倾斜。”。：( 3 ) 在叶轮的外缘和内缘均 设置均匀网栅o ( 如图1 6 ) ：( 4 ) 提高蜗舌的机械光洁度”j 等。前两种 _ 蜗烹，i ， a b 目1 j 叶靶与蜗目位置关系简图 方法着眼于改变压力脉动的相位使相位差为1 8 0 0 的压力脉动分量 相互抵消：后两种方法则着眼于改善气流抑制由外扰动和粗糙机械 ! o l ! 里型兰塑查查兰堕兰竺竺堡塞 塑二垦堕堡 结构引起的压力脉动分量。 目l6a n 蛛_ 网栅的叶轮 s h e ： 目l7 叶* ( ) 与( f ) 对应目 卅v 眯洋一郎【眠等对贯涌：风彻进行了实验研究并测出了叶轮旋转 目1 8h 斟式叶转。最有节间错* 的 式叶轮 时涡舌附近的压力脉动信号( 见图1 7o 从图上可以看出叶片与压 力脉动之间存在严格的对应关系。三岛毅睦 3 7 等利用相位抵消的方 法设计了倾斜式a 十轮以及有节间错开的倾斜式叶轮( 见图1 8o 祷家 伸祜“设计了锥台形的叶轮( 见图1 9 ) 有效降低了旋转噪声。 辩至景嚣 置置0 7y ) 强b 哺球荸苎霉肇晕嚣毒它要暑鐾暑墨 鼍譬馨嚣篇 al 扣畔。葺o l e = ；冀姆 轴t 竹孟 = = j 、：二二= = 嚣0 = # o = = ：= o = f ：= = ? ：= ： u 井：；= = ：= = ；p z o = = t 二： # z x = ：= = # f = m 口= q 扣j ， 证i 旨；2 格譬j ； t ，： 阻二= = = = o i o j j j = ：墨：；：墨 t 膏妊 b 龌嚣7 7 -只量自幢，口。， 蓬罐 目f9 镕自# 型贯a ” 烈观已有的 研究绝大部分 都是利用压力脉 动间的相位差来 降低旋转噪声 但是完全根据 实验结果来进行 新型叶轮的开发 不仅效率低还 会在制造样品时造成巨大的浪费。 本文尝试把贯流风叶从贯流风机中提取出来进行单独考虑通过 中国 学技术大学硕士学位论文第一章绪论 构造虚拟压力波模拟实际压力脉动的方法利用计爿q 臁练台诗爿p 各 种构造相位差的方法以求获取最优结构的风叶。由于累用了计算机 敷值模拟利用镶方法进行新型叶轮开裳的舅归阵会大大提高同时计 算机可以在瞬间完成- 备种方案间的比较剔除不合理的设计思想。使 样品实验更有李d - 对性。这种时间、盘嚆鼍上均j 常经济的设计方法正 好，f 巨满足广大空调产家的需要。 1 贯藏风机简介 贯流风机是德国人m o f t i e r 于1 8 9 2 年电立的一类特殊的通风机 械其结构如图1 1 0 所示。“。由于贯流风瓠县有结构简单、体积d 、 产生的气流平稳、动压系数较高而作用距离较长及噪声低等特点，近 来被- - 泛应用于家用电器和空调设备等低压通风换气的场合豹嘎口是 在分体式空调的室内机中。 l l l j l l 1 rr1 j 图1 1 1 离“a 机结构简田目l1 2 轴巍a 机站构简图 章夸轴向入口进入虢转的叶片通道在离心力作用下气体被加速并抛向 中国辩学技术丈学硕士学位论文 第一章绪论 叶轮外缘。气体二盔离心风机中舅。芍轴向流动后转变为垂直亏讽书晡由 的径向流动。当气体通过旋转叶轮的叶道时由于叶片的作用气体 获得能量即气体总压升高。由于在蓬个越程中，气流角度折转较大 从而使离心风机的送风效率受到很大影响。 轴流风机的典型结构如图1 1 2 所示。其工作原理为：气体通过 集风器后轴向进入旋转叶片通道由于叶牛与气体的相互作用气体 被加速并轴向搏出流入静止的导叶：导叶将一部分偏转的气流动能 转变为静压然后从出风口流出进入输送管路。相对于离心风机而 言，轴流风机具有流量大、体积小、压头低的特点。 由于贯流风机在结构上白特殊性其工作原理也与前两种风机有 很大差最j 。当叶轮旋转时在贯流风机叶轮内侧靠近蜗舌的位置存在 一个涡，当气流从入口进入叶轮后由于涡的作用芦致气流方向折转 气流贫穿叶轮后流向出口“1 。在整个过程中叶轮对气流两次做功 且气流折转角度不大故贯流风机的送凤效率较高。 2 贯泷且机噪声分类 贯流凤机在一定工况下蓬礴时产生的噪声主要包括空气动力性 噪声、机械性噪声及两者相互耦合引起的噪声三部分其中空气动力 性噪声的强度最大是贯流风机噪声的主要成分也是本文考虑的重 点。依据气动声学理论贯流风机的气动噪声属于偶极子声源主要 由气体非稳定流动，即气体的扰动、气体与气体及气体与物体之间的 r 1 相互作用而产生”。 贯流风机的空气动力性噪声按产生机理可分为旋转噪声和涡流 噪声。旋转噪声叉称为离散频率噪声是由周期性旋转的叶片引起空 气的压力脉动而产生的。其发声机理有两个：( 1 ) 当叶轮在自由空间 旋转时，由于叶片打击周围的气体介质叶片邻逝的某固定位置上空 气受到n 十片及其压力场的周期性激励而发声。该噪声频率为： ，：丝，( h z ) 。 6 0 ( 1 2 3 ) 其中，n 为叶轮转速( r p m ) ，z 为叶轮的叶片数i = 1 、2 、3 为谐 波序号，i = l 为基频：( 2 ) 当气流流过叶片时在叶片表面形成附面 层特别是吸力边的附面层容易加厚，并产生许多涡。在叶片的尾缘 处吸力边和压力边的附面层汇合形成尾迹区。在尾迹区内气流的 压力与速度都大大低于宣气流区。因而当叶轮旋转时叶片出口区 内气流具：贫很大的不均匀性。这种不均匀性气流周期性地作用于周固 中国科学 妻术大学硕士学位论文 第一章绪论 介质。产生压力脉动而形成噪声。很显然该噪声的蒴率也可以通过 ( 1 2 3 ) 进行计算。 旋转噪声的强度大致与圆周速度的5 6 次方成比例当圆周速 度增大一倍时声压级将增加1 0 0 0 i 5 d b 、“3 涡流噪声又称为宽带噪声，主要是由于气流流经叶片时产生紊 流附面层及旋涡，涡流分离时所产生的压缩和稀疏以声波的彤式传 播而形成的。其频率取决于叶片与气流的相对速馥用经验公式可表 示为： ，= s ，半j ( h z )( 1 2 4 ) 上 其中，s ，为s t r o u h a l 数，s ，= o 1 4 。0 0 2 0 ，一般可取0 1 8 5 。w 为 气流与叶片相蕙r 速度l 为物体正表面宽度在垂直于速度平面- k 的投 影。i = i 、2 、3 为谐波序号。 因叶片咯截面上的圆周速度随半径太d 、而变化气流绕过叶片时 各点相对速度必然亦不一样同时叶片各点厚度也不同截从圆心到 最大半径速度呈连续变化。因此叶载嘲起转所产生的涡流噪声呈明显的 连续谱。涡流噪声的强度与气流的8 次方成比例。 涡流噪声的主要机理为：( 1 ) 叶轮来流入口不均匀，例如叶轮入 口处有障碍物、怠转弯等：( 2 ) 物体湍流边界层内的随机脉动压力 它在整个贯流风机噪声中所占的比例较小：( 3 ) 物体表面上的气流形 成紊流附面层后附面层成气流紊乱的压力脉动作用于物体( 蜗壳内 表面及局部表面) 产生了噪声。紊流附面层发展愈严重所产生的 噪声也愈强烈因此可以认为紊流附面层是产生涡流噪声的主要来源 之一：( 4 ) 叶片湍流边界层的旋涡自叶片后缘脱落时引起的压力脉动。 不论边界层是否分离这种脉动都存在其典型例子为卡门涡街。此 种噪声呈明显的宽频带特性，叶尖处频率高，叶根处频率低；( 5 ) 寒 流的紊流度引起叶片作用力的脉动造成噪声：( 6 ) 二次涡流产生的噪 声，主要是指叶尖与蜗壳拐角处的回流涡；( 7 ) 间隙噪声，跟贯流风 机的几何参数有关。 1 2 2 贯流风机流场研究的背景和意义 尽管旋犁 噪声是贯流风机噪声的主要成分但涡流噪声仍然在 其中占有很大比熏。而且通过贯流风叶的最优设计降低旋转噪声后 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 涡流噪声甸臼毫蓝一步降噪所要考虑的，c 点因此有必要列喷鞠鼍机的 流场结构进行深入研究。同时蜗壳、蜗舌相关几何参数的优化也需 要对耋旧黜睁进行研究。 在流场研究方面理论分析、数值模拟和实验研究均有较大进 展。游斌、区颖这。“采用工程分析方法，在大量测量数据的基础上。 采用方差分析得出贯流风机各参数对性能的影响。颀建明、特明琦“” 通过分帮p 十轮进出口速度三角形对各参数的选择给出了半冀翻t 的确 定方法。这些研究仅关注进出口的流动状态未冀皂对内部流场进行分 析因此对慧体流动情况缺乏完整的刻画。邵卫云1 “从理论上系统地 介绍了贯流式水轮机转轮叶栅几何参数如叶栅稠密度、叶片的相对 扭角、转轮叫片数和叫。争厚度对水轮机性能的影响。尽管贯訇2 0 扎茸凡艰 贯流式水轮机有 艮大的差易口但由于两者结构相似在理论上它t 1 应 该是可以相互借鉴的 对叶轮机械内部复杂三维流场数值模拟是在吴仲华”教授于 1 9 5 0 年提出了完善的两类相对流面( 简称s l 流面和s 2 流面) 理论之 后才开始实现的。遗一理论的基本思想”。是：为了胄皂较简单地求解叶 轮机械内部相对定常的三维流动问题把三维流场分解为剪p 卜流面上 的二维问题来求解其中一类的求解经常需要由另一类流面得出的数 据因此需要在这两装四巴面之间迭代求解。直至最后求得三维流动准 确解两类流面理论为叶轮机械内部流动的计算奠定了彗乙实的理论基 础。时间推进方法最早是由n e u m a r m “。提出的这种方法是把定常问 题的解看成相应的某种非定常问题在时间很大时的渐进解。虽说对这 一问题没：穿经过严格数掌证明然而许许多多计算实践已经证织了时 间推进方法的合理性。d e n t o n 。“最早采用这种方法实现了对叶轮机械 全三维流场的数值模拟 时间推进方法的主要优点除了对低亚音速、亚音速、跨音速、 超音速流动都可用相同算法和程序进 亍求解程序的运用往较强这个 优点以外还包括下述优点：f 1 ) 求解e u l e r 方程的程序稍加改动( 增 加粘性项和修改相应的边界条件) 即可计算n s 方程：( 2 1 用时间推进 方法编制的程序可同w j - 用于内流和外流、定常和- - - i e 定常流场的计算： ( 3 ) 用时间推进方法开发的程序容易实现并行计算：( 4 1 由于方程类型 不随流场速度的变化而变化时间相关的e u l e r 方程哥口n - s 方程在各 种速度稿：场中对囊p 复可以采用一种方法计算这群又使程序结果简 单。可读性好。正因为如此，自70 年代以来时间推进方法在叶轮 j 5 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 机械领域的数值计算中取得了极大的成功发展了很多豆式和隐式格 式。 近年来时间拥畸蓬方法在计算几何形状比较j o 藉的涌易方面也 取得了 鼠大进步发展了自适应4 p - - 结构网格配合r u n g e k u a t t a 法求 解叶轮内部流动的方法d a w e s 9 “在遗方面取得了可喜的成果。在国 内叶以、明。“首先使用显式有藤弭长积的n - , j - j h l 推进加上自适应j # 结构网 格方法对避平奢扭叶片三维粘性秘涵矛进行了计算。三岛毅睦t 4 j , j 等利用 动网格方法进行了贯流风机的数值模拟证明叶片间的压力脉动波形 为正弦曲线遗与圈1 1 0 的实验结果比较一致。 村田暹“等曾对贯流风机进行实验研究在流场中取几百个点 进行多次测量得到的是局部平均和统计怠义上的流场信息缺少对 细致和瞬态流场结构的认识。对贯流风机内部流场的研究特别是内 部流场显示方面的研究在国内很少国际上也仅有几种方法。日, - i s - s e 者提出了一些方案：删实现了风机全流场的观察孙立群等。5 铂也进行 了类似的研究强均因曝光时间过长而难以清晰地衷j 画有风叶旋转的 a 定常流场结构。伍掌查、陈进。”等采用真 验手段测- t l - 了贯流风机正 常工作时进气口、出气口及远场的噪声频谱，得出了关于贯流风机 噪声的部分结论。游斌、黄宸武。“等简要分析了不同a g - - 过渡接口列贯 流风机试验酒g 试结果的影响。 本文尝试采用数值模拟和实验手段相结合的方法对贯流风机的 全漉场特别是内部流场进行比较细致的刻画为贯流风机的全面降 噪提供必要的依据。同时流场模拟乖j 流场显示研究不仅可以检涠j 最 优设计叶轮在风机整体结构中的性能更可以帮助建立贯流风机的整 体设计理论。因此，该研究无论在学术上、还是在工程应用上都具有 重要意义。 1 2 3 哨子发声研究的背景和意义 从气动声掌原理上说贯流风机的噪声和哨子发声现象没有本 质的差别。因此本文将从哨子发声的角度进行一定的研究揭示哨 子发声的原理。 葛 簧片管乐器的发声原理最早由t t e t m h o l t z l 6 8 和r a v l e i g h 惦“开 始研究。h e i m h o i t z 认为。射流的运动变化来自于射流和声波在管体 入口处的对流运动；射流作为一个体积元周期性地提供一定体积的 中国科学技术丈学硕士学位论文 第一章绪论 气流进入乐器管内从而僚持声波在管腔内的振动。r a y l e i g h 意识 到射流是非稳态的它对管内的声波振动有增强作用。同时他认为 h e l m h o l t z 鼹出的单向气流，由于吹奏处的低压，不能有效地解释袅 声机制。因此，r a y l e i g h 认为。射流运动的变化是因为在边棱刃的 声波力的影响。h e l m h o l t z 也指出边棱刃处的涡流产生力的作用。 这些关于声源的性质讨论一直延续置今。 1 9 3 0 年b o u a s s e ”做了大量实验，测量管乐器的各种行为。 p o w e l i ”1 。e 6 2 首先提出一个定量的模型它建立在边棱音反馈环路的 基础上。1 9 6 7 6 8 年c r e m e r & i s i n g ”提出了第一个全面模拟管乐 器功能的定量模型。同一时期。b e c h e r t ”“研究了声波的湍流运动。 随看c o l t m a n 、f l e t c h e r 、c a s t e l l e n g o 、n o l l e 州等也开始 了相继工作。 文献中首次出现的时间域上的管乐器模拟模型是1 9 8 3 年由 m c i n t y r e 、s c h u m a c h e r 和w o o d h o u s e ”“提出的。这个高度简化模型 是依据反射函数提出的。这个模型的最初形式由于对线性扰动无 条件的稳定并不能很好描述管乐器的振动。通过对模型加以略微 修改，它可以重现管乐器的稳态振动的一些特征。但是它不能模 拟瞬间冲击。同时它也很难将模型的参数和乐器的物理性质联系 在一起。1 9 9 2 c o l t m a n 。在此基础上提出了一种更复杂的时间域上 的管乐器模型。同年v a l i m a k 提出了另外一种模型。这种乐器 被认为是有阻尼的谐波震荡器它由以- f 方程控制： 弩咄萼+ 砖 c l ：砜1 1 习1k t 面j 3 22 鼬) ( 1 2 5 ) 其中x 是谐振腔的模式为i 条件下的声波位移k 是诅尼因子 _ ，是一常数f ( t ) 是外力。这些模型能够发出真实的声音，可以看 作是半经验模型。其中的很多物理参数的调整需要凭措经验。例如 f ( t ) 是声波速度的多项式其物理意义尚不很清楚。 上述理论方面研究多从振动与声学的角度八手这样难免会将 复杂的流动机制视为黑箱而忽略对其内在本质的认识。而实际的物 理过程更是在特定的出口壁面边界条件下的射流运动问题。从这个 意义上说，计算流体力掌无疑将有助于这类研究的深入。如前所述 乐器的发声机制和它们白备物理特征j # 常复杂仅从实验和理论分析 入手显然是不够的。数值模拟能够对各种因素进行研究提供理论 分析所需的信惠并省去大量实验的工作不失为一种女于的尝试。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 本文在数值模拟的基础上还进行了流场显示的实验研究。实 验研究不仅能够检验数值模拟的正确性而且能够直观地了解到射 流的运动过程。两者的结合，必将大大有助于哨子发声机理的研究 同时也将为哨子制作和改良提供依据。 1 3 本文主要工作 本文的主要目的在于研究贯流风机气动噪声产生的机理并将研 究成果应用于贯流风叶的设计和贯流风机的结构优化实现降低贯流 风机噪声的目标。同时采用数值模拟和实验相结合的方法对哨子 发声的机理进行探讨。由于在气动声掌角度而言贯- ：o l r , 风机噪声跟哨 子的乐音在发声机理上没有区别因此这两方面的研究是相辅相承 的。本文主要工柏鼍扩分为如下几个方面： 1 通过虚拟噩力波方法编制诊断贯流风叶旋转噪声的计算程序 将各种应用相位差降诋旋转噪声的思想付诸实施。利用该程序可以对 贯流风口叶咱自结构进行有效的优化实现开发新型低噪声贯流风叶的预 期目的。( 第二章) 2 通过对贯流风机全流场的数值模拟和流场显示研究刻画贯 流风机流场、特别是内部流场的细致结构。考察蜗舌形状、位置等几 何参数对贯流风机整体性能的影响。为开发性能优良、低噪声的贯流 风机提供依据。( 第三章) 3 利用实验和数值模 以相结合的研究方法对哨子发声现象进 行初步研究。对影响哨子发声效果的各结构参数进行机理分析为后 续的深入研究奠定基础。( 第四章) o - j g 文献 1 1 a d p i e r c e a c o u s t i c s ：a ni n t r o d u c t i o nt oi t s 用妒i c a lp r i n c i p l e sa n d a p p l i c a t i o n s a c o u s t i c a ls o c i e t yo f a m e r i c a e d i t i o n ，19 8 9 2 s y l v i e d e q u a n dd u c t a e r o a c o u s t i c s ：f , o mt e c h n o l o g i c a l 8 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 a p p l i c a t i o n st ot h ef i 埘e e i r l d h o v e n ：t e c h n i c h eu n i v e r s i t e i te i n d h o v e n 2 0 0 0 【3 】杜功焕、朱暂民、龚秀芬编著声学基础( 上、下) 上海：上 海科学技术出版社19 8 6 【4 m c a m p e t e r s a e r o a c o u s t i cs o u r c e si ni n t e r n a lf l o w s e i n d h o v e n ： t e c h n i c h eu n i v e r s i t e i te i n d h o v e n 19 9 3 【5 m e g o l d s t e i r ea e r o a c o u s t i c s m c g r a w - h i l li n c 19 7 6 6 】v s t r o u h a l u b e r e i n eb e s o n d e r ea r td e r t o n e r r e g u n g a r m p h y s i l e c h e m 1 8 7 8 ，5 ( 1 0 ) ：2 l 5 1 7 】l r a y l e i g h a c o u s t i c a lo b s e r v a t i o n s p h i l m a g 1 8 7 9 ，7 ( 4 2 ) ：1 4 9 1 6 2 【8 r p a r k e r a e r o a c o u s t i c s i n t e m m i o n a lj o u m a lo ff l u i dd ”a a r n i c s 1 9 9 7 ，1 ( 1 ) ：1 - 2 3 【9 r a _ s h a w at h e o r yo fa c o u s t i cf r e q u e n c y a n dr e s o n a n c e a s c o n t r o l l i n gf a c t o r s i n a e r o d y n a m i c s a e r o n a u t i c a l r e s e a r c hc o u n c i l p a p e rn o 1 2 ，3 7 6 1 9 4 9 1 0 ra s h a w 劢ps o h a i o no ft h ep r o b l e mo f a 洲l i n d e rs h e d d i n g 订 p e r i o d i cw a k e a e r o n a u f i c a lr e s e a r c hc o u n c f l p a p e rn o t 2 ，6 9 6 19 4 9 11 r a s h a w ap r e l i m i n a wi n v e s t t g a t i o no ft h e a c o u s t i c t h e o r yo f a i r f l o w l o ws p e e d w i n dt u n n e lt e s t so n a n a e r o f o i la n d 西i d e r ： a e r o n a u t i c a lr e s e a r c hc o u n c i l p a p e rn o 13 7 9 5 19 51 1 2 】m j “g h t h i l l o n s o u n dg e n e r a t e da e r o d y n a m i c a l l y ，? g e n e r a l t h e o l q ：p r o c r o y s a c l o n d 1 9 5 2 a2l1 ：5