基于湍流脉动压力的波数——频率谱预报流噪声

[目的]根据Lighthill声类比方程及其发展理论,可以将壁面湍流脉动压力的波数—频率谱作为声源项来预报流噪声,且分析湍流脉动压力的波数—频率谱有助于了解湍流结构的时空关联特性。[方法]以NACA0012翼型为例,采用大涡模拟(LES)方法进行流场仿真计算,然后通过Fourier变换得到壁面湍流脉动压力波数—频率谱的数值解,并与Corcos的平板湍流边界层脉动压力波数—频率谱模型进行比较;在此基础上,将该波数—频率谱作为声源输入,代入Goldstein版本的声类比方程中预报辐射噪声,并与软件计算的流噪声结果以及Brooks试验拟合结果进行比较。[结果]结果发现:小曲率变化的NACA 0012翼型表面的波数—频率谱具有与平板表面相似的一般特性;在中、低频段采用该方法预报的流噪声结果与Brooks试验结果拟合更好。[结论]所得结果表明开展波数—频率谱研究是有必要的,将其作为主要声源项来预报亚声速下产生的流噪声是合理的。     

船用离心风机壁面周向压力脉动测试及分析

为分析蜗壳壁面动态压力沿周向的变化规律,搭建离心风机实验台,利用高频动态压力传感器对离心风机蜗壳壁面沿周向11个位置动态压力进行了测量。通过对测量结果的分析、处理,分析各位置不稳定流动情况以及涡流脉动强度,确定了压力脉动数值最大位置,得出了动态压力大小及频率组成沿风机周向的变化规律。     

开槽蜗舌对离心风机流场特性的影响

针对风机叶轮射流尾迹与蜗舌产生的动静干涉流场的特性,研究风机内部动静干涉流场的相互作用机制。以某离心风机为研究对象,通过对传统蜗舌的结构进行改进,在叶轮出口长度对应的蜗舌展向长度范围内开槽,采用数值计算的方法分析开槽结构的槽宽、槽深和间距等参数对离心风机的气动特性和风机内部流场分布的影响规律。计算结果表明:开槽蜗舌有助于改善风机的运行效率,减小尾迹对蜗舌前缘的冲击,延缓蜗舌下游边界层的流动分离,削弱叶轮与蜗舌之间的动静干涉作用,抑制蜗壳壁面的非定常压力脉动。     

开槽蜗舌对离心风机流场特性的影响

针对风机叶轮射流尾迹与蜗舌产生的动静干涉流场的特性,研究风机内部动静干涉流场的相互作用机制.以某离心风机为研究对象,通过对传统蜗舌的结构进行改进,在叶轮出口长度对应的蜗舌展向长度范围内开槽,采用数值计算的方法分析开槽结构的槽宽、槽深和间距等参数对离心风机的气动特性和风机内部流场分布的影响规律.计算结果表明:开槽蜗舌有助于改善风机的运行效率,减小尾迹对蜗舌前缘的冲击,延缓蜗舌下游边界层的流动分离,削弱叶轮与蜗舌之间的动静干涉作用,抑制蜗壳壁面的非定常压力脉动.     

喷水推进器水下辐射噪声边界元计算方法

[目的]为减少边界条件设置的不确定性对喷水推进器水下辐射噪声计算的影响,[方法]以某喷水推进器为研究对象,提出基于边界元法一步计算来预报喷水推进器的水下辐射噪声。首先,基于计算流体力学的分离涡模拟(DES)方法计算喷水推进器的瞬态流场,并以声类比积分方程为基础,采用Virtual Lab声学计算软件将喷水推进器过流壁面的非定常脉动压力映射和傅里叶变换(FFT)转化为对应的频域噪声源。然后,以喷泵固体壁面的流体脉动声源为辐射源,采用边界元一步计算方法预报声波经流道向船底水下辐射的远场噪声。[结果]结果发现,采用边界元一步计算方法能更真实反映研究对象的客观属性。[结论]研究表明,该方法可更准确地预报喷水推进器水下辐射噪声。     

离心风机的内部流场数值模拟及噪声预估

建立后向板型叶片离心风机的流场模型,运用非结构化网格对流场模型进行网格划分,流场模拟的湍流模型采用标准k-ε模型,风机旋转区与非旋转区的耦合采用移动参考坐标系模型MRF,利用Fluent流体分析软件对离心风机的三维流场进行模拟仿真,得出叶轮、蜗壳的速度、压力等分布云图,在此基础上,运用数值计算方法对所研究的离心风机进行噪声预算,结果表明：考虑蜗壳与叶轮之间的区域计算所得流场更加符合实际工况;叶轮对气流做功,叶片根部气体的速度最小,叶片边缘处速度最大;蜗壳内侧的静压与全压均偏低;蜗壳的静压与动压在蜗舌区域均发生突变。研究结果有助于了解风机内部流场的运动规律,为风机结构优化及噪声优化研究提供参考。     

船用离心风机流动诱发噪声定量研究

对于进出口管道开口的大型船用离心风机,其内部非定常流动诱发的噪声是气动噪声和振动噪声的耦合且噪声以基频为主。本文通过数值计算方法定量研究了风机最高效率点(BEP)的基频噪声辐射,包含叶轮气动噪声、壳体气动噪声和壳体振动噪声。基于声学有限元方法,利用FW-H方程耦合URANS流场计算结果数值计算了离心风机的噪声辐射;以流动诱发壳体振动的压力脉动为噪声激励源,基于声学有限元方法,计算了壳体振动噪声辐射。结果表明,壳体基频气动噪声是风机噪声的主要贡献量(87 dB),其次是叶轮基频气动噪声(71dB),壳体基频振动噪声最小(57 dB)。噪声叠加使总噪声辐射增加了0.9 dB,但是声场的指向性没有发生变化。     

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。     

离心风机管道中三维精细速度场的数值预报与验证

离心风机在某转速运行时,进风口、出风口均与大气直接相通,本文用自由入口、自由出口作为计算时的边界条件以模拟实际情况;根据风机几何拓扑特征,划分高质量的结构化网格;数值计算时,外域静止、包含叶轮的内域以离心风机实际转速旋转,以交界面进行数据传递,湍流模型采用RNG k-ε,计算得到的管道中流速与测量结果十分吻合。预报方法可用于复杂风管设计、风机选型等。     

RANS,DES和LES对螺旋桨流噪声预报的适用性分析

[目的]为研究不同湍流模型在螺旋桨流噪声预报中的适用性,以DTMB 4119螺旋桨为研究对象,对非均匀进流条件下的频域噪声进行数值模拟。[方法]首先,采用RANS方法计算螺旋桨在不同进速下的水动力系数和桨叶表面压力分布,并将仿真值与试验值进行比较,验证流场模拟的准确性;然后,分别将RANS,DES和LES这3种方法得到的脉动压力作为声源,结合声学边界元预报辐射噪声。[结果]计算结果表明,线谱噪声是螺旋桨总噪声的主要贡献者;当预报一阶叶频上的噪声时,3种方法所得结果较为接近,可以采用RANS方法进行快速预报;当预报高阶叶频上的噪声时,采用LES方法预报的结果更加准确。[结论]在噪声预报时可以根据需求选择合适的湍流模拟方法。     

艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声数值预报

[目的]螺旋桨噪声和水动力噪声是潜艇噪声控制的重点和难点,因此有必要开展艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声预报研究。[方法]以SUBOFF潜艇和DTMB 4383桨为计算对象,结合大涡模拟湍流模型和无限元方法,分析潜艇非均匀伴流场中螺旋桨激振力的变化规律,以及螺旋桨对潜艇表面压力场的影响。采用ACTRAN声学计算软件对艇桨一体的水动力噪声性能进行数值预报。[结果]计算结果表明:螺旋桨激振力的各个分量具有相同的脉动频率,脉动峰值以一阶叶频处为主,同时水平力脉动和垂直力脉动大于推力脉动;潜艇艏部、指挥台、艉翼及螺旋桨叶梢部位均存在局部高压区,这是水动力噪声的主要贡献点;艇桨一体的水动力噪声主要集中在低频段,随着频率的增加,其蝶形分布更加明显;与无桨全附体潜艇相比,带桨潜艇特征点的声压值急剧增加,对其辐射声场的影响较大。[结论]研究成果可为艇桨一体的螺旋桨设计提供参考建议。     

离心泵水动力噪声计算方法研究

离心泵作为舰船重要的流体机械,也是管路系统中主要噪声源之一。泵内流动诱发噪声的计算难点在于流噪声声源的准确模拟和边界条件的确定。文中采用CFD方法计算泵内流场并根据FW-H方程提取叶轮转动偶极子声源和蜗壳内表面偶极子声源;基于管道测试技术获得泵进出口边界条件,建立了以蜗壳为界的边界元模型,考虑了蜗壳对声传播的散射作用。通过内域声学直接边界元方法求解泵内声场,建立了离心泵水动力噪声的计算方法。通过试验测试对建立的计算方法进行了验证。计算分析表明:离心泵内主要噪声源为蜗壳表面偶极子声源;泵出口噪声大于入口,具有偶极子声源特性。     

叶轮旋向对喷水推进器噪声性能的影响

文章运用计算流体力学和直接边界元方法计算叶轮旋向对喷水推进器水下辐射噪声性能的影响。首先,采用计算流体力学方法计算和分析了某喷水推进泵的裸泵性能曲线,并与厂商数据比较以验证CFD计算方法;然后,计算某“船体+流道+喷水推进泵”的稳态流场,在此基础上计算喷泵内的非定常流场,并获得了叶轮叶片、导叶叶片、轮毂和外壳壁面上的偶极源以及固体壁面上的单元和节点信息;最后,采用直接边界元方法计算喷水推进泵的声场分布。结果表明：喷泵内最大压力脉动在叶轮进口处,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐增大;叶轮进口处的压力脉动幅值外旋泵比内旋的大,但在叶轮和导叶相互作用区域则相反;在10～1000 Hz内,叶轮和导叶相互作用区域对于辐射噪声的贡献是最主要的;内旋泵的总声压比外旋泵的总声压级大2.4 dB。     

湍流边界层激励下平板辐射噪声数值计算方法

[目的]湍流边界层(TBL)激励下的结构辐射噪声(也称"流激噪声")是水下航行体的重要噪声源,因此,对流激噪声数值计算方法的研究具有重要意义。[方法]基于LMS Virtual Lab数值计算软件,以Corcos湍流脉动压力频率波数模型作为输入,采用主成分分析(PCA)法和振动—声传递向量(VATV)法计算湍流边界层激励下平板结构的流激噪声,并对两种方法的正确性进行验证,比较分析两种方法的计算时间及得到的声压自功率谱密度(ASD)曲线。[结果]结果表明,这两种方法均可有效计算湍流边界层激励下的结构流激噪声,且计算结果基本一致;和PCA法相比,VATV法所占用的计算资源更少,能快速预报结构的流激噪声;相较于VATV法,PCA法还可以得到结构振动响应结果。[结论]该研究结果对水下结构流激噪声快速预报具有一定的参考价值。     

SWATH船螺旋桨脉动压力引起的辐射噪声计算分析

[目的]研究小水线面双体船(SWATH船)螺旋桨脉动压力激励艉部引起的辐射噪声。[方法]由于通常的载荷施加方式与实际情况差别较大,2个螺旋桨之间相互影响,因此建立某SWATH船全船声固耦合计算模型,采用船模试验结果对脉动压力引起的辐射噪声进行计算,定量分析不同载荷施加方式和2个螺旋桨激励力之间相位差的影响。[结果]结果表明:不同载荷施加方式对辐射噪声的影响非常显著,相对于实际的载荷分布,采用集中力或均布力等常规方式得到的计算结果偏大,其中施加集中力时计算结果最大。双桨激励力之间的相位差对辐射噪声也有明显影响,双桨同相时辐射噪声最大,并随着相位差增大而逐渐减小,双桨反相时噪声最小。[结结论]所做研究可为SWATH船螺旋桨脉动压力引起的辐射噪声预报和控制提供参考。     

翼/板结合部涡旋流动结构与壁面脉动压力的大涡模拟研究

壁面脉动压力是湍流非定常特性的重要表征,而且是重要的流体动力声源,所以对于脉动压力的研究已经成为流声耦合研究领域的重要课题。文章采用大涡模拟方法结合动态Smagorinsky亚格子涡模型,数值计算了两型翼/板结合部在不同流速下的湍流脉动压力,并展示了结合部马蹄涡流动结构。通过将计算结果与试验结果进行对比分析可知,数值计算方法能准确地预报湍流脉动压力,从而为理解翼/板结合部非定常流动的物理机理奠定了基础。     

水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响

[目的]为了优化舰船冲击环境预报载荷体系及研究气泡脉动压力对舰船冲击环境的影响,[方法]基于ABAQUS有限元分析软件,采用声固耦合方法模拟某舰水下非接触爆炸特性,通过与现有文献实验数据的对比验证该方法的有效性。在此基础上,针对水下爆炸气泡脉动压力进行冲击环境特性的研究。[结果]结果表明:气泡脉动压力对舰船低频响应有放大作用,垂向冲击谱值的影响要大于其他2个方向;上层甲板受气泡脉动的影响仍然较大,验证了甲板低频响应的衰减规律;对水下爆炸实验和冲击环境进行预报时,计算时间选取为1.5倍气泡一次脉动周期才可得到较准确的冲击环境数据,以此来验证海军标的准确性。[结论]研究结果有利于优化舰船冲击环境预报流程中各参数的选取,并可用于指导舰船冲击环境的预报。     

离心风机蜗壳的优化设计

利用流体力学专业计算软件NUMECA,绘制离心风机几何图形,并对离心风机进行数值模拟。以蜗壳外周形线的一维设计方法(等环量法)为基础,考虑气体黏性因素的影响,对原蜗壳的外形线设计进行修正。把得到的新蜗壳形线用在原风机上后,重新进行数值模拟,结果表明其性能有所提高。对比改进前后蜗壳内的气流流动情况,分析影响离心风机性能的内在因素。     

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。     

声激励水下旋转壳体振动和声辐射的数值预报

本文将有限元加边界元——修正的模态分解法推广到对水下任意形旋转壳体在近场声源激励下振动和声辐射的数值预报问题。以长短轴比为2:1的水下椭球薄壳的声激励问题为例进行了具体计算,其中声源为置在椭球壳端部附近轴线上的单极子或偶极子型点声源。给出了椭球壳弹性振动的辐射声和总辐射声的指向性计算结果,并与把椭球壳作为刚性体的计算结果进行比较。结果表明:在总声场指向性的预报中,如果不考虑椭球壳弹性振动产生的辐射声将会导致大的误差,特别当激励源频率在壳体的谐振频率附近时,壳体辐射声对声场的贡献远远大于声源本身的贡献。