不同雷诺数下圆柱绕流气动噪声数值模拟

基于大涡模拟和声类比相结合的混合方法对不同雷诺数下二维圆柱绕流的远场气动噪声进行预测.预测值与试验数据吻合良好.根据预测结果分析圆柱绕流气动噪声的声场特性,研究流场振荡规律对远场噪声的影响和圆柱绕流气动噪声的辐射特性,并寻找降低圆柱绕流气动噪声的途径.结果表明:随着雷诺数的增加,远场各测量点的总声压级增大;声场的最大声...     

圆柱绕流近壁面处气动噪声源识别研究

对物体高速行驶下的气动噪声现象的认识和描述一直以来都是气动声学领域探索的基本问题和难点问题,尤其对物体近壁面处声源的产生及其声辐射缺乏有效的描述手段。该研究以圆柱绕流为研究对象,结合数值仿真手段,基于涡声方程的声源项描述圆柱绕流近壁面处的声源特性,建立声源识别方法。研究表明,该方法描述的声源存在不该有声源的位置出现声源的现象。研究进一步基于质点振速的矢量波动方程,将不能辐射噪声的源分离,较为准确地识别出了圆柱绕流气动噪声源的大小和位置。该研究在探索识别圆柱绕流气动噪声源方法的同时,也为准确识别气动噪声源特征提供了有效的方法。     

涡声理论在汽车A柱气动噪声优化中的应用

涡声理论表明气流流动产生的噪声主要取决于声源项涡量与速度叉乘项的散度的强弱。基于涡声方程,通过分析汽车A柱附近流场中速度、涡矢量以及两者间夹角正弦值等物理量与气动噪声之间的关系,找到了影响A柱气动噪声的主要气动参数。研究表明,A柱区域气动噪声声压级与流场中速度和涡矢量的叉乘变化规律一致,进一步分析涡量、速度以及两者夹角正弦值等三个流场气动参量发现,三者中绕A柱轴向的涡量对噪声的贡献量最大。据此,通过在A柱上沿涡量方向加装扰流条可以有效控制A柱区域气动噪声;其中,增加16个扰流条的措施,可使前侧窗表面噪声最大降低4.2 dBA,对测点声压级的频谱分析表明该方法在较宽的频段内均有降噪效果。     

类高尔夫球表面处理对受电弓气动噪声的影响

针对高速列车弓网噪声,为降低主要由细长圆柱杆件构成的受电弓的气动噪声,建立三维圆柱绕流气动噪声分析模型,基于大涡模拟方法、声类比理论模拟圆柱杆件的流场特征,分析远场气动噪声频谱特性与分布规律,并对圆柱杆件表面作球缺型凹坑处理,分析表面处理方案的降噪效果。数值结果表明,来流与圆柱轴向所在平面法向的气动噪声受升力波动影响,声压级最大;圆柱来流方向前后气动噪声受阻力波动影响,声压级最小。圆柱表面球缺型凹坑处理方式可以有效降低圆柱杆件远场R=5 m处最大声压级,凹坑加密,降噪效果更好,优化模型II-1、II-2和II-3在R=5 m处最大声压级分别降低1.5 d B、1.9 d B和2.4 d B。相关结果可为高速列车噪声控制提供参考。     

用快速多极方法预测圆柱绕流的气动噪声

采用声模拟理论预测气动噪声时需要大量的计算时间,快速多极方法将传统点对点计算转变为点集之间的相互作用,可以有效加速计算。基于二维自由空间格林函数的分波展开方式,推导了FW-H方程应用快速多极变换后的积分核函数与计算公式。计算了低马赫数圆柱绕流的非定常流场;并由此预测了气动声源。随后,分别采用传统方法和快速多极方法计算其声场分布。结果表明,基于分波展开方式的快速多极方法能准确计算圆柱绕流气动噪声,在频率较低时能大幅减少声场计算时间,且观测点数越多,加速效果越明显。     

圆柱绕流噪声预报的流场与声场模拟方法对比研究

以三维圆柱为研究对象,使用Lighthill声类比法研究其绕流发声问题。第一步进行流场计算,分别用大涡模拟(LES)、脱体涡模拟(DES)和瞬态雷诺平均法(URANS)模拟声源区流场,通过对比流场压力和涡量等参数,据此选取合适的流场仿真方法;第二步用基于Lighthill方程FW-H积分法和边界元法预报远场直发声,通过和Revell试验结果比较,分析各种计算方法差别。研究表明:进行流场仿真时LES计算结果最好,IDDES法在保证计算精度条件下能有效减少流场网格数量,URANS法误差很大;进行辐射噪声预报时,FW-H积分法和边界元法基本相同。     

考虑影响声传播因素的车用交流发电机气动噪声预测

为了更准确地预测车用交流发电机的气动噪声,基于计算流体力学及声类比理论,考虑影响声传播的因素,对实验室安装条件下的某型车用交流发电机气动噪声进行研究。利用大涡模拟方法计算了交流发电机内部三维非稳态流场;依据Lighthill声类比思想,将转子表面的压力脉动等效为旋转偶极子源点集;考虑发电机机壳及实验台面对声传播的影响,建立了以机壳内表面为声源边界的半自由声场计算模型,进而预测了发电机的远场气动噪声;最后,利用实测数据对发电机气动噪声仿真结果进行了验证。结果表明:交流发电机气动噪声的辐射声场具有明显的偶极子指向特性;仿真计算结果与实验测试结果具有很好的一致性。所提的研究方法能更准确地预测发电机的气动噪声,同时可为实车安装条件下的车用交流发电机气动噪声预测提供参考。     

基于大涡模拟的水下射流噪声计算方法分析

在前期对低马赫数下气动噪声计算方法的研究基础上,建立大涡模拟(LES)和Lighthil声类比水动力噪声混合计算方法,并通过参考文献中的水下射流声学实验结果对该方法进行验证。首先,参考试验模型尺寸建立三维模型,分别划分流场计算和声学计算所需结构网格,通过试算确定外流域大小和网格划分方式;接着,采用LES对射流流场进行计算,通过压差、压力脉动、速度不均匀度等指标对湍流流场特性和计算稳定性进行分析;随后,将流场计算结果作为声源项插值到声学网格,基于Lighthill声类比理论,对水下射流噪声进行计算;最后,对比水下射流声学试验数据与流噪声计算结果,验证和分析该混合计算方法计算水下射流噪声的可行性和正确性。结果表明,所建立的LES和Lighthill混合计算方法能较好地模拟水下射流噪声,可用于水动力噪声的研究。     

有限长圆柱绕流气动噪声源特性分析

气动噪声源的能级、分布特性及其产生根源还不够清晰。以有限长三维圆柱绕流为研究对象,基于声源方程分析气动噪声源的种类构成及其与气动参数的关系,通过数值计算得到可压非定常流场,利用气动参数定量计算圆柱顶部、中部和底部的声源大小分布,研究声源的分布特性和产生根源。结果表明,在有限长圆柱绕流场中,以偶极子声源为主,单极子声源可以忽略不计,四极子源项的值比偶极子小1～2个数量级。偶极子主要分布在来流分离点及圆柱后壁面湍流涡二次碰撞区域,四极子主要分布在来流分离点及其向后拖曳区域。偶极子声源主要由于圆柱两侧涡脱落处的脉动压力在横向(y方向)上的二阶梯度引起。以上结果为气动噪声控制的进一步研究提供了借鉴和参考。     

水下圆柱壳结构流噪声仿真及降噪技术研究

为探究圆柱壳结构横向来流时流噪声的产生机理和控制技术，对其高雷诺数下的流噪声进行数值仿真，并分析声学覆盖层对流噪声向壳内传播的阻抑作用。首先基于SSTk-ω 湍流模型对流场进行分析，并运用Lighthill 声类比理论构建流噪声数值计算模型，分析圆柱壳内外的声场特性，比较不同声学覆盖层圆柱壳内的声压级。结果表明：流噪声的峰值频率与流场的涡脱落频率一致，为低频噪声；聚氨酯弹性体、聚氨酯泡沫以及铅三种声学覆盖层，铅的吸隔声性能最好，且适当增加空气层对低频噪声的抑制效果更为明显。研究可为水下圆柱壳内流噪声降噪提供一定的指导。     

水下稳态涡流场声传播的数值模拟和实验研究

声波穿过涡流场时声传播特性会发生改变,可由此判断涡流场的存在及其特征参数。文章首先推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组,实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟。然后开展水池超声传感器实验,采用现代计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真方法获取涡流场参数。最后将通过涡流场声信号的时延结果,与实验测量值进行对比分析。结果表明,对于涡核半径为30 mm,最大切向速度为1.2 m·s^-1的涡流场,数值模拟误差小于10%,验证了基于射线声学的水下稳态涡流场声传播数值模拟的有效性。     

基于大涡模拟和Lighthill声类比的孔腔流动发声特性研究

孔腔流动发声是气动声学研究领域重要的课题,基于大涡模拟和Lighthill声类比方法,探讨了气体在孔腔流动的流激噪声的发声特性。模拟结果表明,孔腔边界层出口剪切涡、边棱处涡街和腔体内反馈涡的运动诱导了孔腔发声,具有明显的偶极子特性,在高频段腔体内激发了声学驻波模态。通过模拟与实验对比分析了不同流量下噪声量级以及频谱分布规律,研究结果表明:24 kHz以下的声频谱会表现出波峰小范围迁移;24 kHz以上频率对应的声压级随流量增大而增大;腔体长度和特征频率近似满足Strouher公式,即声频特征频率随腔体长度的增大而减小。上述研究结果为下一步设计在线监测安全阀泄漏的报警超声波发声器提供了理论依据。     

倒角切角对方柱气动性能影响的大涡模拟研究

倒角和切角措施对方柱的气动力及流场影响很大,常作为方柱流动控制的手段,采用大涡模拟方法,以雷诺数22000的方柱为研究对象,考虑了角部措施(角部变化率10%)的影响,对均匀流场下标准方柱、倒角和切角方柱周围流场及气动性能进行了模拟研究。通过将标准方柱大涡模拟结果与相关文献的试验和数值模拟结果对比,验证了该方法及参数取值的有效性;研究分析了倒角和切角措施对方柱风压分布和气动力的影响,并着重从时均流场和瞬态流场角度分析了角部处理措施对方柱气动性能的影响机理。结果表明,倒角和切角措施对方柱表面风压分布和气动力均有一定影响,其中对方柱表面流动分离区的风压系数影响更为显著。采用角部处理措施后,方柱前缘角区的流动分离受到影响,分离剪切层扩散角更小,侧面的分离涡更贴近壁面,从而在方柱侧面形成再附,尾流变窄,旋涡脱落频率成分更为复杂,使得方柱的平均阻力系数更小,气动力脉动强度更弱,旋涡脱落频率更高、强度更弱。     

细颗粒物声波团聚的微观机理研究

为拓展声波团聚机理,对声波团聚过程中的声流与声涡作用进行了理论和实验研究。利用声流测试系统,发现在0～1 kHz低频与5 kHz高频时,团聚室内声流现象较为明显;并通过可视化测试,在7 kHz高频时观察到明显的漩涡。结果表明,流场中的声流与声涡对颗粒团聚会产生很大的影响,声流或声涡越强,团聚效果越好。在0～1 kHz低频与5 kHz高频时,声流产生的切应力带动气溶胶颗粒发生碰撞团聚;高频时声涡力矩较大,其产生的轨道角动量带动粒子发生圆周和自旋运动;当声压级大于132 dB时,声涡团聚开始发挥作用,与声流一起促进颗粒团聚,且声压级越大团聚效果越强;与波节相比,波腹处的声流速度更大,声涡现象更明显,团聚效果也更好。     

Wind pressure features of large-span flat roof in different wind fields induced by conical vortex

The wind pressure features on a large-span flat roof in uniform flow field and turbulent field induced by conical vortex were studied, through wind tunnel tests. From the comparison of the mean and fluctuating wind pressure distributions on a flat roof in different wind fields induced by conical vortex, results indicate that the mean suction dominates in the smooth flow, whereas the fluctuating suction is more obvious in the turbulent flow. The probability density function for the pressure fluctuations under different approaching flows is analyzed. The two-peaked distribution, peculiar to turbulent flow field, is observed on the curve of probability density. The fluctuating pressures at reattachment points are larger under the turbulent flow. This indicates a more intense reattachment, which may cause overturning moment for roof-mounted items. Point vortex, RanKine vortex, and simplified Cook expression are applied to fit the pressure profiles beneath conical vortices, respectively. The results have shown that the RanKine vortex model and simplified Cook expression were applicable to forecast the wind pressure profiles beneath conical vortices, while point vortex underestimated the real wind suction. The wind pressure distributions in turbulent fields induced by different wind angles were contrasted, when the approaching flow is along the diagonal of the roof, the intensity of the vortex pairs is almost equal, with obvious reattachment. When the approaching flow deviate from the diagonal of the roof, the lateral turbulent component spins the vortex more quickly; this induces larger mean suctions beneath windward vortices. Smaller suctions are observed beneath the leeward vortex, due to less vorticity being converted to vortex motion from the freestream.     

圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究

采用粒子图像测速技术对630、800及950三种雷诺数条件下的圆柱绕流场进行了实验,给出了圆柱下游沿流动方向4倍圆柱直径和垂直方向3倍圆柱直径区域内的速度场、涡量场以及涡脱落现象的时空演化规律.结果表明:圆柱尾流区域位于垂直方向约1.5~2.5倍圆柱直径范围内,随着雷诺数增大,这一范围呈现缩小趋势,而主流对涡的拉伸和输运能力有所增强;涡脱落频率随雷诺数增大而增大,小雷诺数时能够较为完整地捕捉到涡生成、脱落、发展和耗散过程,由于PIV采集频率的限制,大雷诺数条件下涡脱落整个过程不易被完整捕捉到.     

Computational study of unsteady viscous flow around a transversely and longitudinally oscillating circular cylinder in a uniform flow at high reynolls numbers

A finite difference simulation method for the time dependent viscous incompressible flow around a transversely and longitudinally oscillating circular cylinder at Reynolds numbers of Re=4×10³ and 4×10⁴ is presented. The Navier-Stokes equations in finite difference form are solved on a moving grid system, based on a time dependent coordinate transformation. Solution of the vortex street development behind the cylinder is obtained when the cylinder remains stationary and also when it is oscillating. Time eholution of the flow configuration is studied by means of stream lines, pressure contours and vorticity contours. The computer results predict the lock-in phenomenon which occurs when the oscillation frequency is close to the vortex shedding frequency in the transverse mode or around double the vortex shedding frequency in the longitudinal mode. The time dependent lift and drag coefficients are obtained by the integration of the pressure and shear forces around the body. The drag, lift and the displacement relations are also discussed.     

Vortex motion in the early stages of unsteady flow around a circular cylinder

In this paper, processes in the early stages of vortex motion and the development of flow structure behind an impulsively-started circular cylinder at high Reynolds number are investigated by combining the discrete vortex model with boundary layer theory, considering the separation of incoming flow boundary layer and rear shear layer in the recirculating flow region. The development of flow structure and vortex motion, particularly the formation and development of secondary vortex and a pair of secondary vortices and their effect on the flow field are calculated. The results clearly show that the flow structure and vortices motion went through a series of complicated processes before the symmetric main vortices change into asymmetric: development of main vortices induces secondary vortices; growth of the secondary vortices causes the main vortex sheets to break off and causes the symmetric main vortices to become “free” vortices, while a pair of secondary vortices is formed; then the vortex sheets, after breaking off, gradually extend downstream and the structure of a pair of secondary vortices becomes relaxed. These features of vortex motion look very much like the observed features in some available flow field visualizations. The action of the secondary vortices causes the main vortex sheets to break off and converts the main vortices into free vortices. This should be the immediate cause leading to the instability of the motion of the symmetric main vortices. The flow field structure such as the separation position of boundary layer and rear shear layer, the unsteady pressure distributions and the drag coefficient are calculated. Comparison with other results or experiments is also made. This work was presented at the First Asian Congress of Fluid Mechanics, Bangalore in December 1980.