船用柴油机排气消声器声学性能预测的边界元法及实验研究

摘要

消声器是降低船用柴油机排气噪声的有效措施之一。鉴于消声器内部声场的复杂性，通常要求使用三维数值方法预测其声学特性。边界元法是一种先进高效的数值方法，已被广泛应用于管道和消声器声学特性的预测。然而传统边界元法在处理大区域、高频声场问题时遇到了计算量和存储量过大问题的限制。此外，传统边界元法还无法被用于预测具有较高马赫数亚音速流中的声传播问题。为解决这些问题，本文开展了快速多极子边界元法和双倒易边界元法研究。 针对静态介质中内部声学问题的求解，本文发展了快速多极子边界元法，阐述了其基本原理与数值实现过程，并首次将其成功地应用于消声器声学性能的预测，研究和分析了它在预测消声器声学性能时存在的特殊规律。数值算例表明，该方法能获得较高的计算精度，有效节约数据存储量，并在一定频率范围内节省大量计算时间。 对于具有较高马赫数亚音速流时内部声学问题的求解，本文发展了一种双倒易边界元法，给出了其数值实现过程，并首次将其成功地应用于预测有复杂流时管道和消声器的声学性能。与传统边界元方法相比，该方法考虑了声学控制方程中气流马赫数二阶小量的影响，因此适用于具有较高马赫数亚音速流的情况。数值算例验证了该方法的正确性。 双倒易边界元法运算过程中一般包括3个矩阵的相乘和一个矩阵的求逆运算，所需的计算量至少为传统边界元法的13倍，这严重限制了其应用与发展。另一方面，对于复杂结构的消声器，直接应用边界元法时往往存在积分的超奇异性问题，使数值运算变得繁琐，数值结果也往往具有较大的误差。本文发展的子结构双倒易边界元法有效地解决了以上两个问题。该方法基本思想是：首先将待考察声学系统分割为若干个子结构，在每个子结构中分别应用双倒易边界元法求得各自的阻抗矩阵，然后结合公共边界上的连续性条件对整个声学系统进行计算。数值算例验证了该方法的正确性与有效性，并初步考察了气流对较复杂结构消声器声学性能的影响规律，结果表明，较高马赫数亚音速流对复杂结构消声器声学性能的影响不可忽略。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1课题的来源、意义和目的

1.2边界元法的发展历史及现状

1.2.1传统边界元法(CBEM)

1.2.2快速多极子边界元法(FMBEM)

1.2.3双倒易边界元法(DRBEM)

1.3消声器测试技术的发展历史及现状

1.3.1消声器性能测量试验台

1.3.2消声器声学性能测量方法

1.4本文的主要研究内容

第2章静态介质中声学问题求解的边界元法

2.1引言

2.2声场控制方程

2.3传统边界元法

2.4快速多极子边界元法

2.4.1快速多极子方法

2.4.2 Helmholtz方程基本解的多极子展开

2.4.3远场影响系数的计算

2.4.4 FMBEM中矩阵与向量相乘积的计算过程

2.4.5 FMBEM计算量和内存量的估计

2.4.6 BICGSTAB(l)求解器

2.4.7程序设计

2.5消声器传递损失的计算

2.6计算实例与分析

2.7本章小结

第3章流动介质中声学问题求解的双倒易边界元法

3.1引言

3.2流场与声场的控制方程

3.3不可压无旋流场的边界元法

3.4声场问题的边界元法

3.5四极参数与传递损失的计算

3.6计算实例与分析

3.6.1消声器四极参数的计算与分析

3.6.2消声器传递损失的计算与分析

3.7本章小结

第4章声学子结构双倒易边界元法

4.1引言

4.2子结构双倒易边界元法

4.2.1声学结构的阻抗矩阵

4.2.2声学系统阻抗矩阵的计算

4.3计算实例与分析

4.3.1变截面管四极参数

4.3.2消声器的传递损失

4.4本章小结

第5章排气消声器性能试验台的研制

5.1引言

5.2试验台的总体结构布置

5.3试验台系统的结构与组成

5.3.1风源

5.3.2燃烧系统

5.3.3控制柜

5.3.4波纹管与掺混室

5.3.5可移动底座、隔声罩和可调支架

5.4测量系统

5.4.1管道内流体参数测量系统

5.4.2试件参数测量系统

5.5控制系统

5.5.1 PLC流量和温度模糊控制系统的工作原理

5.5.2 PI模糊控制器的设计

5.5.3解耦模块

5.5.4试验分析及结论

5.6隔声罩

5.6.1试验台的声学特性

5.6.2隔声罩的设计

5.6.3试验分析

5.7排气噪声特性分析

5.8本章小结

第6章管道和消声器声学性能的测量

6.1引言

6.2传递损失测量的两载法

6.3传声器的安装位置及校准

6.4声学性能测量结果及分析

6.4.1直管段的传递损失和四极参数

6.4.2锥管的传递损失和四极参数

6.4.3单级膨胀腔消声器的传递损失

6.4.5双级膨胀腔消声器的传递损失

6.5本章小结

第7章排气消声器声学性能分析

7.1引言

7.2无流时消声器传递损失分析

7.3有流时消声器传递损失分析

7.4导流环结构对消声器传递损失的影响分析

7.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表已完成的学术论文

致谢

附录