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。     

三维陷落腔脉动压力分布特性实验研究

文章针对均匀流场中三维深型陷落腔因流分离而产生的流激振荡问题开展了一系列的实验研究.在来流流速为0攻角时实验时的雷诺数变化范围:Re=1.55×105～8.74×105.实验中分别测量了三维深型陷落腔侧壁周向及垂向流体压力,分析了腔体内脉动压力周向、垂向的分布规律及腔口处剪切层自持振荡特性.实验结果表明:均匀流场中三维深型陷落腔内脉动压力分布较为复杂.在剪切层随边处的脉动压力最大,随边角点处脉动压力随相对高度的增加而陡降为0,但腔口导边及侧面处的脉动压力随相对高度增加而略有增大.剪切层自持振荡频率的无量纲数St数随Re变化为一常数值,但其值比气流场中二维陷落腔的St数略大.     

基于大涡模拟和Kirchhoff积分方法的孔腔流动发声机理分析

孔腔流动与流激噪声是流声耦合研究领域的重要课题。文章基于大涡模拟方法与Kirchhoff积分,探讨了水中孔腔流动的发声机理。由孔腔流动振荡模态分析可知,在水中较低马赫数情况下,流体共振模态极难存在,故而流体动力振荡是产生孔腔流激噪声的根源,从而揭示了孔腔流激噪声形成的机理。进而又基于Kirchhoff控制面积分与物体壁面积分,辨识了偶极子声源和四极子声源对于流激噪声影响量级以及频谱分布规律,并结合流体动力声源的数学表达、Lighthill应力张量的频谱分析和壁面效应分析,指出了孔腔中涡旋对于流场脉动量声学效应的输运作用是孔腔流激噪声传播的成因,从而揭示了孔腔流激噪声传播的机理。     

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。     

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。     

不同攻角时等高型陷落腔流激振荡特性研究

针对均匀流场中三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题开展了系列的实验研究。实验过程中分别考虑了来流攻角为0°和15°时、雷诺数变化范围(Re=2.06.105～1.16.106)时三维等高型陷落腔的流激振荡特性。实验中分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,在分析腔体内稳态压力和脉动压力的周向、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性的基础上,研究了攻角对流体压力分布和剪切层振荡频率特性的影响。实验结果表明:均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时来流攻角的增加使腔口导边、随边和腔体内稳态压力明显地减小,顶流点处的稳态压力随相对高度增加先减小后增大。攻角的增加使剪切层振荡频率减小,但并未影响剪切层振频无量纲St数随流速的变化规律。     

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。     

半空间内结构声辐射研究

采用解析方法,以脉动球为例研究了以自由表面或刚性表面为界的半空间内的声辐射问题.重点研究了自由表面或刚性表面对结构辐射声功率和辐射方向性的影响.数值结果表明:在低频和自由表面距离脉动球源较近时,自由表面的存在会大大地减小脉动球源的辐射声功率,自由表面对辐射声功率的影响可高达-40dB左右.但随着频率和自由表面离脉动球源距离的增大,自由表面对脉动球源辐射声功率的影响会急剧地减小.当频率较高或自由表面距离球源较远时,自由表面对脉动球源辐射声功率的影响是不大的;刚性表面对脉动球源辐射声功率的影响远远小于自由表面对脉动球源辐射声功率的影响,其最大的影响也仅为 3dB.文中还讨论了用边界元法求解三维复杂结构在半空间内的声辐射问题,并进行了计算验证.     

均匀流场中含自由液面的陷落腔脉动压力分布研究

在有自由液面的情况下,针对横剖面为圆形的陷落腔模型,在均匀流场条件下,开展水动力实验研究,模拟了大量的工况,测量了腔体壁面的流体脉动压力.本文分析了模型所受的脉动压力随傅汝德数在不同腔体位置的变化趋势,并讨论了晃荡现象对压力分布的影响.实验时发现,傅汝德数小于0.35的工况有明显的晃荡现象发生,而傅汝德数小于0.35的工况的脉动压力系数也明显大于其他工况,且变化剧烈.本文认为,流体剪切层自持振荡与腔内液体深度驻波振荡共振是产生晃荡现象的原因,本文实验中Fr≤0.35的工况对应的流速正是达到以上两种振荡频率耦合所需要的流速.本文对工程应用中的腔体尺度和形式的设计有一定的指导意义.     

声呐腔流激噪声场空间互功率谱及相干性研究

随着声呐基阵孔径的增大及探测频率的不断降低，声呐自噪声场特性研究需要由自功率谱空间分布特性扩展到空间互功率谱及相干特性。针对矩形腔和弹性矩形板透声窗组合的声呐腔结构，考虑弹性平板与内外声场的耦合作用，采用模态法建立了矩形板受湍流边界层脉动压力激励的腔内水动力噪声场空间互功率谱及空间相干性计算模型，计算分析了在不同频率和不同噪声场空间场点位置情况下的声呐腔水动力噪声场空间互功率谱和相干性特征，计算结果与实船声呐舱水动力噪声测试结果一致。     

声呐导流罩边界层壁面脉动压力研究进展

舰艇中、高速航行时,声呐导流罩外边界层的壁面受脉动压力激励,引起罩壳结构振动,并向罩壳内辐射噪声。该噪声是声呐平台区自噪声的主要成分。准确描述罩壳外边界层壁面脉动压力特征,是开展声呐导流罩内场自噪声影响评价以及导流罩壳减振降噪设计的基础和依据。首先,介绍壁面脉动压力功率谱的壁压试验法、半经验模型法、数值模拟法的相关进展;针对边界层转捩区的脉动压力功率谱特征,引出缩尺模型试验研究的尺度效应问题。其次,针对壁面脉动压力的尺度效应问题,概述脉动压力功率谱尺度律及其由模型试验到实船应用的发展,并介绍与缩尺模型试验载荷相似的重要手段——人工转捩方法的研究概况。最后,对人工转捩方法在声呐导流罩边界层壁面脉动压力载荷相似性研究中的应用进行展望。     

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。     

非均匀伴流下无空泡螺旋桨涡流噪声的数值研究

应用分离涡方法(DES)对螺旋桨的涡流场进行了模拟。提出了一种在桨叶附近生成高质量边界层网格的结构化网格划分方法。利用Q准则和自定义函数对桨叶泄涡及其频率特性进行了研究。以桨叶表面脉动压力为声源,通过求解FW-H方程对螺旋桨噪声进行了预报。频谱分析表明螺旋桨低频离散线谱噪声、低频宽带噪声以及高频涡流噪声都得到了较好的预报,特别对涡流噪声的频谱特性进行了分析。数值计算结果表明:以单桨叶表面压力脉动为声源,涡流噪声为单调音,频率即为桨叶泄涡频率,声压级比宽带噪声高出约15 dB;以整个螺旋桨表面压力脉动为声源,涡流噪声在泄涡频率附近有着多条线谱,各线谱的频率间隔相等,声压级比宽带噪声高出约10 dB。     

局部开孔深腔流噪声发声机理研究

针对目前水动力声学领域的孔腔流噪声研究大都基于单孔全开口模型的局限性,本文基于大涡模拟-声类比混合方法对局部开孔深腔体模型的孔腔流噪声发声机理进行研究。首先,对流场涡量、压强变化进行分析,得到涡结构的不断运动迁移和腔体孔壁后缘的碰撞发声构成的涡-声反馈是不同测点之间所测压强周期一致、相位不同的原因;其次,对不同测点的压强功率谱、空腔内声学模态频率进行分析,得到孔后壁上缘区域的压力脉动是局部开孔深腔体自持振荡发声的主要声源;最后,将所测声场特征线谱频率与经验公式的预测结果进行对比,验证了仿真结果的准确性。     

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。     

流激孔腔噪声特征及控制方法研究

文章利用大涡模拟方法,建立了流激孔腔自噪声及辐射噪声预报方法,分析了腔深、来流速度及孔腔流向尺寸对剪切振荡特征的影响,并给出了流激孔腔近场辐射噪声特性。在此基础上探索了流激孔腔噪声控制方法,研究了孔腔开口加格栅对流激孔腔涡流场和噪声特征的影响。     

孔穴流激噪声的计算与验证研究

流激噪声的预报问题是流体动力声学领域的重点和难点.在气动声学领域,人们对此问题进行了很多探索,而在水声学领域,该问题尚缺乏深入的研究,文章的目的在于初步建立适用于水中流激噪声预报的数值方法.通过大涡模拟(LES)方法和FW-H声学类比方法,计算了两类孔穴的流激噪声问题.分析了声压谱级,壁面压力功率谱、涡量分布等,并利用试验结果对数值预报进行了验证.研究表明,计算结果量级可靠,符合声学一般规律.     

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。     

表面开孔水下回转体流噪声数值模拟

采用大涡模拟湍流模型模拟表面开孔水下回转体在一定来流速度下非定常流体力学现象,分析了开孔附近的精细流动结构及时频特性.结合边界元方法(BEM)模拟流噪声的频域特征,分析了噪声空间分布及指向性特点.结果表明,表面开孔对流场的影响主要发生在前部几个开孔,舱内流体与主流在这几个开孔中发生质量交换,在舱内前部发生明显的掺混.前部开孔的压力脉动主要来自于开孔壁面的非定常涡脱落;中部及后部开孔对壁面压力脉动影响较小,主要脉动频率为回转体尾涡脱落频率.回转体总噪声级具有明显指向性,沿垂直开孔矢量方向较大,回转体上表面方向噪声级普遍大于下表面方向噪声级,且正上方及正下方噪声级较低,总噪声级沿不同指向相差不大.