湍流边界层脉动压力对声强测量的影响研究

实际声强测量时常常存在风流或水流,如在飞机或船舶上进行测量,声强探头将受到湍流边界层脉动压力的影响。如何评估该影响以及如何修正测量结果是人们十分关心的工程实用问题。该文首先简要介绍了建立的由湍流边界层脉动压力诱发声强的理论模型。接着利用现有的湍流边界层脉动压力频率-波数谱模型,对湍流边界层脉动压力及其诱发的声强进行了数值分析。为了验证理论模型及数值结果,设计制作了一套实验装置,对湍流边界层脉动压力及其产生的声强进行了具体测量分析。结果表明,湍流边界层脉动压力的测量结果与数值结果吻合良好,测量得到的边界层脉动压力诱发的声强特性与计算结果也十分一致,但必须注意对测量传感器的空间响应进行修正。     

压力梯度对湍流边界层壁面脉动压力影响的数值模拟分析

通过对非平衡态湍流边界层壁面脉动压力的数值模拟研究,建立有压力梯度下的湍流边界层壁面脉动压力数值模拟方法。通过对不同厚度分布的翼型表面的湍流边界层模拟,获得不同压力梯度模型的壁面脉动压力特征。采用湍流边界层参数对脉动压力频谱进行归一化处理,其频谱特征与试验结果吻合较好。对湍流壁面脉动压力的频率-波数谱进行分析,获得了显著的湍流传输特征。随着不同模型压力梯度的增加,在波数峰脊附近的谱级增加幅值为3 dB。此数值模拟方法可为复杂工况下的湍流边界层壁面脉动压力的数值研究提供技术支撑。     

非均衡湍流边界层脉动压力测试研究

通过建立非均衡湍流边界层脉动压力测试技术及可提供较高测试信噪比的低噪声风洞试验装置,采用表面贴装式硅微传声器线列阵,测量获得了不同压力梯度模型的湍流边界层脉动压力特性,压力梯度模型表面湍流边界层脉动压力低频平台区幅值增加3-5 dB;回归得到了非均衡湍流边界层流脉动压力频谱与Strauhal数及Re数和压力梯度相关的拟合模型,具有一定的适用性;压力梯度对湍流边界层脉动压力频率—波数谱的影响主要集中在300 Hz以下的低频段,传输波数附近峰脊区谱级增加3-5 dB。     

二维低噪声风洞设计

湍流边界层脉动压力谱是水动力噪声预报的重要输入参数.为满足湍流边界层脉动压力测试需求,设计并建造了二维低噪声风洞.风洞设计从流体动力学和声学2方面考虑.流体动力学设计既需要满足流速要求,又需要降低试验段湍流度,提高流动稳定性;声学设计从洞壁隔声,洞体内部消声以及减振3个方面考虑,专门设计了声流式消声器、微穿孔消声器及消声弯头用于降低试验段噪声.二维低噪声风洞建成后有效进行了湍流边界层脉动压力测试.     

自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力波数—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。文章在已有工作的基础上,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,对不同自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了数值计算与分析。首先,介绍了大涡模拟基本方法,包括:大涡模拟的物理内涵、基本方程以及所采用亚格子涡模型的表达式。其次,介绍了湍流脉动压力波数—频率谱及其计算与分析方法。再次,对不同自由来流角度情况下的湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了计算,并将计算结果进行了比较分析,深入讨论了自由来流角度对湍流脉动压力及其波数—频率谱的影响。结果表明,在自由来流角度影响下,湍流脉动压力及其波数—频率谱主要参数(包括波数—频率谱的谱级峰值、迁移脊在波数—频率域内的分布范围、迁移速度和无量纲迁移速度等)均发生了明显变化,说明自由来流角度对湍流脉动压力波数—频率谱有显著影响,且边界层内湍流脉动压力的能量主要沿流向分布。因此,为了更加准确可靠地研究边界层内湍流脉动压力的主要统计特性及其波数—频率谱,传感器阵列或监测点阵列布置方向应与当地流向(局部剪应力线或摩擦力线)一致。     

水下航行体模型尾部壁面脉动压力与近壁湍动速度同步测试

为了研究水下航行体尾部厚边界层湍流非定常特征,利用轴对称的光体模型及2个尺度不同的大附体模型,在低速风洞中进行模型尾部壁面脉动压力与近壁湍动速度同步测试,并采取相关计算、小波分析等方法作数据处理分析.结果表明:航行体尾壁面脉动压力信号主频成分相对较少,且频率较为固定,反映航行体尾厚边界层流动大尺度相干结构影响;而近壁湍动速度信号反映多种不同尺度的涡作用,且低频信号占据主要的频率成分,同时,随着离壁面距离的增加,湍动速度与壁面脉动压力最大相关系数减小.测试同时考察了不同大附体方案和雷诺数变化对航行体尾湍流特性的影响.     

国外舰船水动力噪声研究进展概述

水动力噪声是潜艇和水下航行体较大航速时的主要噪声源,在低Ma数情况下,它主要是湍流边界层脉动压力激励结构振动产生的辐射噪声.文章综述湍流边界层脉动压力的频率-波数谱模型、湍流脉动压力测量方法以及弹性结构受湍流脉动压力激励的外部区域场计算的研究进展.     

水下结构物自噪声统计能量分析

用统计能量分析方法,对湍流边界层脉动压力激励下水下结构物自噪声进行了分析,得到相应的自噪声工程估算关系。根据工程条件进行简化,得到忽略壳体内损耗和边界层伪声直接透射的高频情况下的工程估算公式。     

孔腔脉动压力及其波数—频率谱的大涡模拟研究

孔腔流动中包含着流动分离和失稳以及涡旋相互干扰等复杂的流动现象。孔腔涡旋流动引起的流体振荡能够引起脉动压力的显著增加从而产生强烈的噪声,在工程实际中备受关注。湍流脉动压力是流激噪声的重要来源,也是湍流研究中的基础性问题,对其进行数值计算研究是流声耦合领域的重要内容,而湍流脉动压力波数—频率谱的构建更是该领域的技术难点。文章采用大涡模拟方法(LES)对孔腔脉动压力进行了数值模拟,考察了四套网格和四种亚格子应力模型对计算结果的影响,并与试验结果进行比较,验证数值计算方法的可靠性。首先采用大涡模拟方法计算了孔腔的脉动压力,并与中国船舶科学研究中心的空泡水筒试验结果进行对比分析。接着详细地分析孔腔脉动压力,研究亚格子应力模型和网格数量对计算结果的影响。最后,对数值计算得到的脉动压力多元阵列结果进行时间/空间Fourier变换,构建了三维脉动压力波数-频率谱。该文工作对今后流激结构振动噪声的预报和流动控制研究奠定了基础。     

湍流边界层脉动压力波数—频率谱模型对比研究

湍流边界层噪声是舰船主要水动力噪声之一。湍流边界层噪声预报须选用适当的脉动压力波数—频率谱模型。引入6种常用的脉动压力波数-频率谱模型,在波数域和频域内进行对比;运用这些模型对槽道流边界层脉动压力自功率谱进行预报,并引入试验结果进行对比,为工程应用中选择适当的脉动压力波数—频率谱模型提供依据：Corcos模型物理意义明确,但预报精度稍差;Chase模型表达式复杂,经验性更强,物理意义不明晰,预报精度较高。     

用大涡模拟方法研究湍流边界层流动噪声

利用大涡模拟方法,对刚性光滑平板上充分发展的低马赫数湍流边界层流动进行了数值模拟.在此基础上将时一空变化的湍流流场信息作为近场声源,运用Lishthill的声学类比理论计算了边界层辐射噪声.文中讨论了偶极子、四极子对噪声的贡献,通过对比它们的功率谱密度,认为壁面剪切应力(偶极子)是湍流边界层辐射噪声的主要来源.     

非消声水池声强法声功率测试的数值模拟

针对非消声水池中采用声强法获取低频辐射声功率研究较少的情况,提出对声强法声功率测试过程进行数值模拟,以获得必要的测试参数。建立水中大尺度圆柱壳结构的有限元模型以及水池的边界元模型,将圆柱壳的响应作为边界元模型的速度边界条件,计算水池中测试阵面的声强。通过叠加获得圆柱壳的辐射声功率,然后依次调整测试参数(面元大小、阵面高度、自由面和底部包络面、池壁吸声),并将各种计算结果与自由场中圆柱壳的辐射声功率进行比较,最终获得适合工程应用的测试参数设置。     

导管桨方位推进器无空化噪声数值预报研究

为了准确计算导管桨方位推进器水下辐射噪声,文章以非均匀进流条件下实尺度导管桨方位推进器为研究对象,采用扇声源方法结合边界元方法对导管桨方位推进器无空化噪声进行了数值预报,并分析了导管桨方位推进器不同部件噪声对总噪声的贡献。结果表明:壁面脉动压力幅值最强位置主要集中在桨叶的导边以及导管内壁面靠近桨叶叶梢的部分;径向测点声源级最大值对应的频率为叶频,轴向测点噪声在三倍叶频处声源级最大;静止部件噪声是径向测点噪声的主要贡献者,旋转部件噪声是轴向测点噪声的主要贡献者;导管桨方位推进器总噪声对应的宽带声源级指向性呈椭圆形;采用扇声源方法结合边界元方法能够预报导管桨方位推进器无空化噪声,为导管桨方位推进器的噪声性能评估提供一个新方法。     

泵喷推进器水动力噪声的数值预报

泵喷推进器由于其高航速时优异的噪声性能,在核潜艇上已得到广泛应用,对其水动力噪声数值计算方法进行研究具有重要意义。文中首先在利用CFD方法得到固体壁面脉动压力分布的基础上,基于边界元方法完成了静止固体壁面流噪声的计算,结合点源模型并借鉴扇声源理论完成了任意边界条件下旋转声源噪声的计算,并且噪声计算结果与试验值、文献值吻合较好;然后以某泵喷为对象分别计算了泵喷静止部件和旋转部件的水动力噪声,最后对二者声场进行叠加即得到泵喷总噪声。结果表明静止部件噪声宽带总声级在径向最高,旋转部件噪声则在轴向最高;在导叶通过频率及其谐频处,由于叶轮与导管内壁面相互作用区域脉动剧烈,使得导管成为径向测点处噪声的主要贡献者,导叶对总声场的贡献量很小。