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动/静器件中的气动噪声问题及其实验研究

胡亚涛  
【摘要】:数值方法和实验技术的进步,鼓励人们对复杂的非定常流动现象和流动致声的气动声学及其降噪问题进行苦心研究,以适应日益严峻的能源环境的时代要求. 本文以某些低马赫动/静器件中气动噪声问题为研究对象和物理模型,引入涡声方程,用以描述涡(流场)诱导声(波)的物理内含。流动的涡结构在速度场中被拉伸变形,从而所产生声,即气动噪声来源于涡的拉伸,变形及破裂。有涡的地方及涡运动加速就会有声,涡作为声场的源汇效果,声能与涡能之间会相互转化。对涡声相互作用和物理内含的理解,是本文研究工作的理论前提。 研究首先结合低速静音风洞及消声室两种实验环境,分别介绍了它们的一些相关问题。对于风洞,在对现有风洞及其相关技术分析的基础上,指出了风洞不同部件的具体设计方法,其重点是考虑低背景噪声的要求。对于消声室,则介绍了一些主要的物理概念和使用方法。 研究根据上述实验条件,针对近壁面方柱绕流物理模型,采用大涡模拟LES加壁面函数的方法进行了流动的数值计算,并分析了其流场随着壁面间距变化的情况:即随着壁面间距的减小,主流的对称结构被逐渐破坏,方柱后方的低速区域随之扩大,方柱后缘速度梯度是涡量产生的根源,随着其不断减小,使得周期性的脱落涡被抑制。在低速静音风洞中,通过流动显示技术,利用烟发声器,得到了清晰的流场形态,直观地看到了脱落涡的发展变化。当壁面间隙足够小时,方柱下方的涡结构被锁定在一定很小的区域,难以向下游传播,因此周期性的卡门涡街消失。最后利用声场测试系统,研究了不同间隙下特征频率的变化。数值计算及实验一致地说明了当间隙足够小时,脱落涡被抑制,从而抑制了特征频率的产生,因此可以考虑调控壁面间隙来调控脱落涡的变化,以达到降低噪声的目的。 在空腔流动物理模型及其应用的研究中,首先通过机理分析及理论计算得出其噪声的特征频率,进而通过数值计算清晰地捕捉到了脱落涡的发展变化规律。以空腔绕流问题的研究为基础,将它应用于汽车天窗气动噪声的分析及主动控制。从机理出发,首先对车辆天窗的气动噪声问题进行了稳态流场模拟,揭示了汽车天窗打开时的流场结构和涡量分布,靠近天窗后缘位置存在着涡的破碎及剪切层的再次附着,是低频风振噪声主要的声源。利用热线技术测量了不同位置的速度分布,解释了天窗气动噪声的根源,并以此为出发点,引入了主动控制方法,通过调控边界层中的速度分布,来达到降噪的目的。实验中发现,特征频率随着速度的提高,存在着从无到有,再逐渐消失的变化规律。利用优化的导流装置的控制方法是行之有效的,在速度为25m/s时,噪声降低10dB(A)左右。 对于贯流风机的气动噪声,在以往研究的基础上,着重在消声室中针对不同形式的叶轮进行了近场压力脉动及远场声压的实验研究。实验发现其噪声特性主要以宽频为主。采用数值计算及涡声理论方法研究了贯流风机涡结构及其噪声特性。针对贯流风机的外特性实验,自行设计并研制了自动化测试系统。对系统整体的内流结构进行了流场的数值模拟,分析了引起测量误差的原因。改进后的测试系统达到了相关标准。在以上实验数据和数值分析的基础上,引入两级通流模式,提出了贯流风机气动噪声预测模型,在常规流速工况下,预测模型与实验结果吻合较好。


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