串列双圆柱绕流噪声数值模拟与实验研究

摘要

柱体绕流引起的气动噪声问题是广泛存在于航空、航海、海上平台、风工程等中的实际工程问题，交替性的旋涡脱落导致垂直于流动方向上的升力的剧烈变化，从而引起结构的振动和噪声，严重时会使结构产生破坏。因此，如何消除或尽力减少柱体绕流引起的振动和噪声成为工程设计必须考虑的问题。对此，学者们进行了大量的研究工作。相对于单圆柱，串列双圆柱由于圆柱间存在耦合作用而使得流动更为复杂，而且其现象更为普遍。所以，研究串列双圆柱绕流引起的气动噪声问题，具有重要的学术意义和实用价值。
　　 本文对低速湍流流经串列双圆柱时的流动及辐射噪声进行了数值模拟。流场的计算使用大涡模拟模型，获得流场数据后使用混合方法应用FW-H声学类比分析得出了由流动诱发的噪声。混合方法把计算区域分成了声源区和声辐射区，在不同区域上应用不同的控制方程，能够分离计算长度，减小运算量。作者对间距比L/D=2(其中L为两圆柱中心距，D为圆柱直径)，来流速度20m/s的串列双圆柱分别取三种直径D=5mm、D=10mm、D=20mm进行了对比模拟计算，以考察不同圆柱直径对双圆柱绕流及流动噪声的影响。当间距比L/D=2，直径D=10mm时，选取来流速度10m/s、20m/s、50m/s进行对比计算模拟，以考察不同速度的影响。在直径D=10mm，来流速度20m/s时，取四种间距比L/D=1.5、L/D=2、L/D=3、L/D=5进行了对比模拟计算，以考察不同间距比对绕流气动噪声的影响。研究发现，随着圆柱直径的增大，旋涡脱落频率降低，绕流辐射噪声声压能增大。随着来流速度的增加，旋涡脱落频率增加，而绕流辐射噪声声压级增大。不同间距比对圆柱旋涡脱落有一定影响，从而也影响到辐射噪声，存在噪声最大的临界间距比；同时辐射声场具有较明显的指向性。
　　 本文探讨了降低双圆柱绕流噪声的措施，提出可以采用减小来流速度、圆柱直径以及避免间距比L/D=3的布置来降低绕流噪声。为了进一步研究双圆柱绕流噪声并检验数值模拟结果，作者在风洞中做了串列双圆柱绕流噪声实验，实验结果表明最大噪声声压级与数值模拟结果符合的很好。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

1 绪 论

1.1气动声学概况

1.2气动声学理论的发展

1.3圆柱绕流噪声问题的研究现状

1.4双圆柱绕流噪声问题的提出及意义

1.5课题的研究内容

2 串列双圆柱绕流气动噪声物理原理

2.1声学基本知识及理论

2.1.1噪声度量

2.1.2波动基本方程

2.2声学的类比方程

2.2.1 Lighthill波动方程

2.2.2 FW-H类比

2.3流体动力声源及声辐射

2.3.1单极子

2.3.2偶极子

2.3.3四极子

2.4串列双圆柱绕流气动噪声产生的机理分析

3 串列双圆柱绕流气动噪声数值模拟

3.1数值模拟方法

3.1.1计算气动声学(CAA)的模拟方法

3.1.2噪声预测的混合方法

3.2串列双圆柱绕流噪声数值模拟

3.2.1计算模型的建立

3.2.2网格的划分

3.2.3边界条件的选取

3.2.4时间步长

3.2.5流体介质

3.2.6计算方法及步骤

4 数值模拟结果分析

4.1流场分析

4.2不同来流速度对噪声的影响

4.3不同圆柱直径对噪声的影响

4.4不同间距比对噪声的影响

4.5噪声辐射的指向性

4.6减小双圆柱绕流气动噪声的措施

4.7小结

5 串列双圆柱绕流气动噪声实验研究

5.1串列双圆柱绕流气动噪声的实验装置及原理

5.2绕流气动噪声频谱分析

5.3实验结果分析

5.4小结

6 结论

致 谢

参考文献

附 录