波纹深度对波纹管气动噪声特性的影响_徐春龙.pdf

西北大学学报（自然科学版）年 月，第 卷第 期，（）收稿日期：基金项目：陕西省自然科学基金（，）；中央高校基本科研业务费专项资金（）；长安大学实验教学改革项目（）；长安大学大学生创新创业训练项目（）第一作者：徐春龙，男，陕西澄城人，教授，从事超声学研究，。信息科学波纹深度对波纹管气动噪声特性的影响徐春龙，李 皖（长安大学 理学院，陕西 西安；长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安）摘要 基于大涡模拟（，）和 声比拟方法，仿真计算了波纹管气动噪声的三维模型，结果与理论值和实验测量相符合。对波纹深度进行了参数化计算分析，结果表明：空气流过波纹管时，在波纹节点处绝对压力出现极大值，在波纹腹点处出现极小值；随着轴向距离的增加，气动噪声的表面声压时均值增大；随着波纹管波纹深度的增大，声压级和功率谱密度均值呈现先增大后减小的趋势。其数值计算方法对管道噪声处理有潜在应用价值。关键词 大涡模拟；声比拟方法；气动噪声中图分类号：.：，（，；，）（）（），：，；空气以一定的速度流过波纹管时会产生湍流并发出响亮的声音，这种现象常见于通风系统内的管道、排水管道以及汽笛等。波纹管气动噪声现象会导致较强的声压级和较高的噪声频率，对周围环境造成噪声污染，甚至会对管道设备带来安全隐患。波纹管气动噪声研究是国内外研究者关注的热点。杨党国等人采用数值法探究了空腔自激振荡发声机理，得到了典型空腔模型的气动噪声特性。孟令雅等人采用 声比拟法和边界元法，对管道噪声声源进行了数值计算。研究了波纹管气动噪声的基频，提出了基于无摩擦流的波纹管气动噪声预测理论。等人实验测量了波纹管的声振荡现象，发现了波纹管气动噪声导致剪切层的不稳定性现象，从而导致了流声耦合系统的自激振荡现象。王光学等人基于转捩模型和声比拟方法研究了圆柱噪声的产生机理。根据前人研究可知，波纹管发声现象产生的机理尚不明确。本文基于前人对波纹管不同几何结构内的流动及其导致的声学现象的研究，利用 软件，采用 湍流模型和 声比拟方法，结合波纹管气动噪声理论和实验测量结果，对波纹管三维模型进行了气动噪声仿真计算，并研究了波纹管内流动特性和声学特性，对波纹深度进行了参数化仿真，探究了波纹管的结构和发声机理。控制方程.湍流模型 湍流模型能够计算低雷诺数流动的壁面边界，计算域小，网格划分越细，时间步长越小，求解精度越高。国内外研究者一般使用二维模型，本文采用三维不可压缩流动连续方程和动量方程，对方程进行滤波处理，得到连续方程和动量方程如下，?。|（）分子黏性应力张量为|，（）亚格子应力为（），（）其计算采用 涡黏假设，忽略高阶项，（）滤波尺度的应变率张量方程为|，（）湍流能量方程为|，（）湍流耗散方程为|。（）式中：为流体密度；和 为速度矢量的分量；为动态黏度；为亚网格湍流黏性力；、为模型经验常数，为 ；为湍流动能；为湍流耗散率；为雷诺应力张量。声比拟方法 声比拟方程通过引入广义函数，按波动方程的形式将（）方程进行整理，方程为 （）（）（）（）（）。（）式中：为远场声压；为引入的数学曲面；为指向外部区域的单位法向量（）；为远场声速；为 应力张量；为声压应力张量；为 方向流体速度分量；为垂直于 表面的流体速度分量；为垂直于表面的流体速度分量；（）为 函数；（）为 函数。由于波纹管是静止的，可去掉单极子源项。根据气动声学理论，当马赫数较小时，可仅考虑偶极子源项，方程的远场积分解为（，）。（）式中：为监测点到声源距离；为固壁边界。波纹管气动噪声实验与仿真计算 波纹管气动噪声实验波纹管气动噪声实验测量使用的设备主要包西北大学学报（自然科学版）第 卷括波纹管（）、手提式鼓风机、高保真数字录音机、风速仪、声级计、铁架台等，实验装置如图 所示。图 波纹管气动噪声实验装置示意图 实验测量中，将波纹管沿水平方向固定于铁架台上，保证其与台面平行，调节鼓风机风口平面与波纹管入口平面平行。启动鼓风机并缓慢调节风速，连续可调最高至 ，当波纹管出现明显且稳定的波纹管噪声时，在测量点用录音机录音，每个频段重复测量 次，记录数据。对实验数据用 自编程序进行傅里叶变换处理分析，得到波纹管气动噪声声压级频谱图与峰值频率。建立波纹管三维模型根据实验用波纹管的实际尺寸，建立波纹管几何模型，进行网格划分并清洗网格，建模模型如图 所示。其中：为波纹管长度；为波纹深度；为波纹管管口半径；为波纹宽度，为波纹间距。设置波纹管及内部流体为计算域，空气入口速度大小为 ，方向沿 轴正方向。设置时间步长 .，先计算 步至稳定状态，开启 声学模块，再计算 步至.。设置监测点坐标时与实验测量位置坐标保持一致。图 波纹管模型 流场分析对绝对压力沿 轴方向进行分析，结果如图 所示，表明沿 轴方向上波纹管各点的绝对压力整体随距离的增加而降低，且在波纹节点处的绝对压力出现极大值，腹点处出现极小值，在管口第 个波纹节点处出现最大值。对空气流速沿 轴方向的分布进行分析，结果如图 所示，表明波纹管内速度场的分布由管径中心至管壁，速度呈现梯度分布，越靠近波纹管管壁速度越小。波纹管三维模型下的速度场仿真结果如图 所示，可见空气沿波纹管流动过程中，在波纹腹点出现速度极大值，在波纹节点出现速度极小值。分析 切面速度云图可知，在波纹管上游，空气流动较为稳定，而下游出现扰动和湍流，下游的扰动导致了波纹管气动噪声现象的产生。图 轴方向上各点的绝对压力和 轴方向空气流速 第 期 徐春龙，等：波纹深度对波纹管气动噪声特性的影响图 波纹管速度场仿真结果（三维视图和 切面）（）声学分析对波纹管声压脉动时均值分析结果如图 所示，可见表面声压脉动时均值随着沿 轴方向距离的增大而逐渐增大，表明了波纹管气动噪声的声源域主要集中在下游区域。图 轴方向表面声压脉动时均值 将实验测量结果用 自编程序进行快速傅里叶变换，获得波纹管噪声频谱图，与模拟计算结果对比如图 所示，对比结果显示声压级的实验值和数值计算值整体趋势基本一致，在 频段范围内，数值计算结果能较为准确地预测气动噪声的声压级。波纹管气动噪声频率的理论预测值由 模型及其共振频率公式给出，理论值、实验测量值以及数值计算值对比如图 所示，为噪声峰值频率。结果显示 联合 数值计算结果较为准确。波纹深度影响分析基于以上的仿真计算方法，研究了波纹深度对波纹管气动噪声特性的影响。在空气流速一定条件下，选用不同波纹管的几何参数如表 所示。图 理论、实验及仿真计算结果对比 ，表 不同波纹深度波纹管的几何参数 单位：编号.用 联合 数值计算的方法对所选 种不同波纹深度的波纹管进行气动噪声分析。图 是在空气流速 时，改波纹深度得到的不同波纹管速度场分布情况。分析可知，当波纹深度较小时，波纹管上游区域几乎呈层流状态，在下游局部区域出现明显的扰动；当增大波纹深度时，下游区域处速度扰动增大；当波纹深度为西北大学学报（自然科学版）第 卷.时，波纹管下游扰动最为明显。通过放大观察波纹节点处的 切面流线图可知，当波纹深度较小时，波纹节点处的空气呈层流状态，随着波纹深度的增大，波纹节点处的流逐渐紊乱，且逐渐产生旋涡。图 不同波纹深度下的速度云图和波纹处流线图（）图 是波纹深度对声压级频谱展开的影响，随着深度的增大，波纹管气动噪声的声压级频谱整体分布趋势一致。图 是波纹深度对功率谱密度和声压级均值的影响，深度最小时，波纹管的功率谱密度均值在 附近，声压级均值约为 ；深度增大，功率谱密度均值和声压级均值也随之增大；深度为.时，功率谱密度均值超过 ，增幅超过一倍，声压级均值约为 ；深度继续增大时，功率谱密度均值和声压级均值开始降低；深度为.时，功率谱密度均值最低，为 ，而声压级均值约为 。图 不同波纹深度下的声压级和功率谱密度 第 期 徐春龙，等：波纹深度对波纹管气动噪声特性的影响 结语本文使用 湍流模型和 声比拟方法对波纹管三维模型进行了气动噪声仿真计算，验证了 联合 声比拟方法的准确性和可行性。同时，对不同波纹管的波纹深度进行了参数化仿真计算，结果表明，波纹管气动噪声现象产生时，压力会在波纹处出现波动，绝对压力随轴向距离增大而逐渐降低，声源位于管壁下游区域，离出口端越近，表面声压时均值越大；随着波纹深度的增加，功率谱密度和声压级均值先增大后减小，在特定值出现最大值。本文使用的 联合 数值仿真计算方法对工业领域中管道输运波纹管气动噪声具有参考意义。参考文献 ，：，（）：，（）：，：，（）：郭玉婷，郝惠娣，吴煜斌，等 叶片型空穴射流清洗器结构的数值模拟研究 西北大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：淡勇，刘晓东，袁娜 超高压管道有限元分析和强度评定 西北大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：刘昌华，殷海龙，白瑞峰，等 基于有限元与神经网络的含裂纹缺陷管道安全性分析 西北大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：杨党国，李建强，梁锦敏 基于 和气动声学理论的空腔自激振荡发声机理 空气动力学学报，（）：，（）：孟令雅，刘翠伟，李玉星，等 输气管道气动噪声产生机制及其分析方法 中国石油大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：，（）：王光学，王圣业，葛明明，等 基于转捩模型及声比拟方法的高精度圆柱分离涡 涡致噪声模拟物理学报，（）：，（）：，：孙晓峰，周盛 气动声学 北京：国防工业出版社，：，王畅畅，王国玉，黄彪，等 可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究 力学学报，（）：西北大学学报（自然科学版）第 卷 ，（）：王巍，张庆典，唐滔，等 射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究 力学学报，（）：，（）：马丽璇，李恩义，孙书霞，等 跨声速空腔声学特性数值模拟 中国民航大学学报，（）：，（）：（编 辑 李 静）学术动态我校任战利教授盆地热演化史团队获批国家自然科学基金专项项目近日国家自然科学基金委员会发布了“羌塘盆地演化及其能源效应”专项项目评审结果，我校地质学系任战利教授团队申报的“羌塘盆地构造热体制与烃源岩热演化时空差异”获得资助，项目直接经费 万元。该项目是任战利教授主持的第 个国家自然科学基金重点类项目。我国油气需求持续高位增长，对外依存度不断突破安全红线，党和国家领导人对此高度重视。年 月以来，党和国家领导人针对羌塘盆地油气多次做出重要批示，明确提出加快羌塘盆地油气综合评价研究。羌塘盆地地处全球油气最为富集的特提斯构造域，是我国陆域新区最后一个尚未进行大规模油气勘探的大型海相含油气盆地。已有的研究成果显示羌塘盆地油气资源潜力巨大，具备形成大型油气田的基本地质条件。国家自然科学基金委员会积极响应党中央号召，于 年 月启动“羌塘盆地演化及其能源效应”专项项目资助工作，针对羌塘盆地制约油气突破的重大基础性科学问题进行研究。沉积盆地构造热演化史对石油、天然气的生成、运移、成藏及富集有重要控制作用。平均海拔 以上的羌塘盆地为我国大型中生代海相含油气盆地，但迄今为止对盆地中生代以来构造热体制及热演化史缺乏深入、系统的研究，其热体制及烃源岩热演化史时空差异是制约油气突破的关键科学问题。任战利教授团队基于羌塘盆地“小块体 多期次 强变形演化”的特殊性，综合考虑多地质因素控制下不同构造单元热演化史的差异性，将野外露头与钻井资料相结合、多种古地温恢复方法相结合、浅部热演化与深部热岩石圈动力学演化相结合，应用多种古温标及盆地模拟方法，系统恢复羌塘盆地不同构造单元热演化史和生烃史，建立盆地多阶段沉降、隆升的地球动力学模型，以及复杂热体制和热演化史时空差异模式，深入开展不同构造单元烃源岩热演化史和生烃史的差异对比研究。本项目的研究不仅对探讨青藏高原盆地热动力学演化有重要的理论意义，而且对羌塘盆地油气综合评价及勘探突破、满足国家重大需求有重要的现实意义。（薛 鲍）第 期 徐春龙，等：波纹深度对波纹管气动噪声特性的影响