方截面T形管的水声、振动及流致噪声特性研究
作者：Masaaki Mori, Takayuki Masumoto,Kunihiko Ishihara
目录
摘要 1
1.引言 1
2.实验 2
2.1实验装置 2
2.2.实验结果 2
3. 数值程序 5
3.1.瞬态CFD模拟 5
3.2.Lighthill方程 5
3.3.声源数据提取 5
3.4.声学模拟 6
3.5.结构声耦合 9
4.无CFD结果的结构声耦合模拟 10
4.1.声源 10
4.2.管道的声学和振动特性 10
5.结构声耦合数值模拟 15
5.1.瞬态CFD结果 15
5.2.远场声学 15
6.结论 16
参考文献 17
摘要
管内流动产生的空气动力声音是噪声问题之一。空气动力声音源由管道内的流动产生。但是，除了空气动力声音声源，产生的声音的特性有时会受到管道的声学和振动特性的影响。在本文中，我们进行了实验和模拟来说明声学、T型矩形横截面管的振动和气动声特性。墙管道厚度为5 mm和2 mm。实验和模拟是在几个流入速度条件。结果表明，尤其是当壁厚为2 mm，所产生的气动特性管道中的声音受到管道的声学和振动特性的强烈影响。所产生声源的频率特性取决于流入速度条件。然而，所产生的声音并不依赖于进水速度条件，但对管道的声学和振动频率特性有影响。2017爱思唯尔有限公司版权所有。
1.引言
管内流动产生的气动声音是空调等设备的噪声问题之一。空调器由一个管道、风扇和开口组成。空调中有三种流致声源。一种是风扇产生的声源，即风机噪声。第二种是管道弯曲或膨胀部分周围的气流产生的声源。第三个是开口附近流动产生的声源。然而，仍然不能完全理解哪种类型的声音资源占主导地位。为了减少噪音，有必要了解主要声源。管道内部空气动力声的研究已经做过实验。Watanabe等人调查了管道系统中气流产生的声功率级[1]。Itamoto和Shiokawa研究了玻璃纤维管道的流动噪声和声音特性[2,3]。他们的研究结果也被使用作为数据收集。石原慎太郎研究了一些开孔直弯管声音和流动噪声的特性[4—6]。说明了当只有通过流动产生噪声源时，吸声材料的降噪效果可以忽略处理。只有通过流动。由于弯曲和内导叶或翼型的使用产生的降噪效果已经阐明。如果是管道噪声，Hambric等人研究了90度管道弯管的流致振动和声功率谱，并通过CFD与结构声学模型的耦合[7]提出了相应的计算方法。张等研究了90度管道弯管的流致振动和噪声以及导叶的影响[8]。他们根据混合Les/Lighthill的声学类比[9]计算了水动力噪声，并且明确了导叶在减径过程中的有效位置以及含水的90度管道弯管的流致噪声。然而，据作者所知，还没有许多研究集中在空气动力学声音 中的管道的声学和振动特性的影响上。本文旨在阐明管道的声学和振动特性对气动噪声的影响。在我们以前工作中[10]，例如对于5 mm管壁，结构振动对声压远场的影响相对较小。在结果上，我们首先实验了5 mm和2 mm厚度管壁的方形截面的 T形管内流动产生的气动声音。然后，我们进行了2 mm管壁厚度T形管内流动产生的声音的空气动力学模拟。为了计算预测气动声音，采用了CFD/BEM混合方法[11,12]。用有限元法计算了振型，并用通过包括结构声耦合效应的BEM计算声学特性。管内的气动声音的频率特性主要受管道内部声场的声频特性的影响。本文中，研究了管道壁厚对管道声学和振动性能的影响，以及管道的振动特性和对2 mm管壁厚度基于声源的CFD结果中提取结构声耦合仿真的结果的讨论。
2.实验
2.1实验装置
实验装置如图1所示。实验装置由风扇、长管道和T形管段组成。这个风扇部分由刚性壁隔开。气流通过穿过长管道进入T形管道。在离流出中心100 mm处安装麦克风 测量边界、声压信号并将其转换为频域与FFT分析仪。频率范围是从 20赫兹至1000赫兹，采样频率为10000赫兹，数字平均值为1000，频率分辨率为10Hz。流入速度约为6；8和12 m . 背景声压低于30分贝。试验模型为T型管方形截面，边长d=100 mm。领域 形状和原理图如图2所示。
2.2.实验结果
图3显示了SPL在监测点的频谱。 5 mm和2 mm管壁厚度的情况如所示。图3（a）和（b）。如图3所示，取决于流入速度、声压大小因 所有流入速度。然而，SPL的频率特性不依赖于SPL的流入速度和峰值频率所有流入速度几乎相同[10]。图4显示了声压级的比较管壁厚度在5 mm和2 mm之间。频率SPL的特性很大程度上取决于管壁厚度，频率范围从150赫兹到1000赫兹，壁厚在5毫米到2毫米之间。它可以假定管道的振动特性影响管道壁厚为2 mm时的气动声音。
图片1. 实验装置.
图片2. 域形状和示意图
图3.声压级谱（a）5 mm壁厚；（b）2 mm壁厚
图4.12 m s1处5 m m和2 m m壁厚情况下的声压级比较
数值程序
3.1.瞬态CFD模拟
对T型管内的瞬态流场进行了数值模拟。Re =41075和82150。流入速度为U=6和12 m . 计算流体动力学模拟的模型如图2。对于这些模拟，三维计算在T形管中应用了域。非定常流动采用商用CFD软件版本15.0的ANSYS Fluent计算流场。及其不可压缩les（Dynamic Smagorinskymodel）计算功能。笛卡尔坐标的原点放置在管道的中点。域包含544000十六进制单元和573221个节点。与墙相邻的单元格间距为0:0008 m（0:008D）。流入边界施加稳定的速度。在出口处应用零压力流出条件-流动边界。其他墙壁上不应用滑动条件。用斯帕拉特-阿尔马拉（S-A）湍流模型进行了稳态模拟。然后用瞬态LES模拟的初始条件。对应于2.1的Courant Fredrichs Lewy（CFL）数时的7800个时间步长t=1e- 4 s的时间步长，进行了瞬态模拟
3.2.Lighthill方程
从连续性和可压缩Navier-Stokes方程推导了频域内的Lighthill方程[13,14] 公式如下：
(1)
其中p是声压，k是波数，l和m表示笛卡尔坐标中的每个方向。是灯塔应力张量如下：
(2)
式中q为密度为1.225 kg ，v是流速，c是声速，为Kronecker-Delta，为粘性应力张量。对于低马赫数和高雷诺数数流状态，式（2）的第二和第三项是可忽略[8,11,15]。因此，第一个术语用于本工作。
3.3.声源数据提取
将声源时程转换为频率谱，离散傅立叶变换（DFT）已被应用。这个声源从512步（从t=0.52 s到0.6222 s）。采样周期为2e -4s。
图5.边界元素网格。
图6.模态分析中的边界条件
3.4.声学模拟
商业声学模拟软件包中的边界元求解器BEM，用于求解声学特性。在这个解算器中， 求解以下联立线性方程：
(3)
这里p是声压矢量，v是粒子速度。影响系数矩阵的向量和条目表示如下：
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
其中是kronecker的delta，是振动边界和的一部分，是总边界。是阻抗边界的一部分。是节点i的位置向量，是位置源点q和的矢量是节点j。是节点j处的声阻抗比。是一个边界上q点的向内法向导数。是一个包含点q的元素区域。G是三维声场的基本解。数字为节点N，向量p的分量p表示为：
(9)
图7.5 mm管壁厚度的模式形状。（a）F=190:31赫兹时为第10种模式；（b）F=190:35赫兹时为第11种模式；（c）F=353:756赫兹时为第21种模式；（d）F=190:31赫兹时为第22种模式F=353:763赫兹
图8.2 mm管壁厚度的模式形状。（a）F=258:35赫兹时为第58种模式；（b）F=261:37赫兹时为第59种模式；（c）F=308:01赫兹时为第87种模式；（d）F=258:35赫兹时为第88种模式F=310:15赫兹；（E）F=391:51赫兹时的139模式；（F）F=391:52赫兹时的140模式；（G）F=659:05赫兹时的254模式；（H）F=660:04赫兹时的255模式
矢量pd的分量pd是来自声源的直接压力贡献，其评估方法如下：
方程式：
(10)
其中，是方向导数，v是流场（在这种情况下，是CFD单元填充的区域）。RP是一个职位监控点的矢量。图5显示了边界元素。有2780个边界元素。从CFD结果中提取声源，其数值等于CFD模型的网格数。考虑到声波从T形管道的流入边界向外移动（在这种情况下，是长管道）。在流入处施加一个特定的值为的阻抗边界条件。在流出边界处，声学波浪可以自由进出管道。在结构声学耦合模型中，所有其他表面都是边界，其中研究了结构声耦合效应。在非耦合模型中，假设它们是刚性的。
3.5.结构声耦合
本文对结构声耦合模型进行了
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资料编号：[2195]
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