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消声器声学特性计算的流声耦合方法研究

黄虹溥  
【摘要】:为了提升工程机械产品的舒适性,需要设计与进排气噪声频谱相匹配、性能优良的消声器对进排气噪声进行控制。消声器产品研发一般分为概念阶段、设计阶段、制造阶段、测试阶段以及量产阶段。为了提高研发效率、降低制造测试成本,数值方法已广泛应用于研发过程中。在概念阶段中消声器产品外观、内部结构的选型将受安装空间和产品成本的限制,因此需要数值方法能够高效地对不同设计方案进行筛选。相较于其它数值方法,有限元方法具有能够考虑三维复杂结构、不受平面波截至频率限制以及计算效率高等优点。尽管如此,商业软件采用的传统有限元计算方法无法考虑消声器内部的气体流动影响,预测结果与实验结果之间的偏差仍然会导致开发周期和成本的增加。考虑到消声器产品研发需求,本文将在传统有限元计算方法的研究基础上发展一类能够考虑流声耦合效应的消声器声学特性计算方法。考虑到有流和无流两种条件下的消声器声学特性存在着联系,提出使用基于Helmholtz方程的有限元方法为概念阶段中的消声器产品进行选型。通过对双级膨胀腔和三通穿孔管消声器的声学特性进行计算,发现可调整消声器进出口管位置和内部结构来满足进排气噪声控制的不同需求。同时,无流条件下的计算结果将为消声器声学特性对气体流动的敏感性分析提供基础数据。在产品设计阶段中,消声器声学特性的计算需考虑非均匀流的影响。若消声器内部的马赫数低于0.3时,流场与声场的耦合作用可认为是单向的。通过忽略声场对于流场的影响,基于运流声场控制方程建立了消声器声学特性的流声单向耦合计算方法。该方法采用了两步计算:第一步是使用计算流体动力学方法在流场网格上获取消声器内部气体流速的稳态分布;第二步是使用线性插值方法来确保流场信息有效地传递到声学网格中实现声学计算。通过对不同类型的穿孔管消声器声学特性进行计算,发现气体流动对共振频率的影响很显著。为了降低声学特性对气体流动的敏感性,引入了锥形管来降低掠过流条件下小孔处的气流速度。通过对三通穿孔管消声器声学特性进行详细研究,明确了掠通混合流形式下的穿孔区域边界类型选取的原则。为了进一步考虑流场与声场间的双向耦合作用,通过对可压缩Navier-Stokes方程进行线性化处理,建立了线性Navier-Stokes方程的频域有限元计算方法。相较于Helmholtz方程和运流声场控制方程,线性Navier-Stokes方程中的扩散项、对流项和反应项能够提供更加精确的声学模型。侧支结构和截面突扩结构的计算结果表明流声双向耦合作用下的声能量转化和涡声耗散会改变声学特性和影响消声器入射声压和透射声压的提取精度。考虑到线性Navier-Stokes方程求解变量增加带来的计算效率问题,给出了三类方法来降低有限元计算自由度。在此基础上,详细分析了有流条件下的Helmholtz共振器、双级膨胀腔消声器以及穿孔管消声器声学特性,给出了降低消声器声学特性对气体流动敏感性的解决方案。针对消声器产品测试阶段中出现的特定流速条件下透射声压大于入射声压的现象,提出了流声耦合作用下的线性判稳方法来预测流致噪声。该方法不考虑消声器壁面的振动,认为放大的声能量来自于不稳定的涡流结构(水力模式)与侧支结构的声学模态间的流声耦合振荡。通过假定声学系统的振荡问题是从线性状态逐步发展到非线性状态的,采用了基于控制理论的广义奈奎斯特稳定判据和声能稳定判据来判断系统是否稳定,给出了系统失稳程度的评价指标。与Helmholtz共振器和直通穿孔管消声器的台架实验结果进行比较,发现该方法能够有效地预测流致噪声发生的频率以及对应频率的声压大小排序。在此基础上,详细研究了声学系统的散射矩阵和反射矩阵的调整对于声学系统不稳定性的影响。


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