复杂结构腔体气动声学特性研究

摘要

近十几年以来,有关空腔方面的研究已成为空气动力学界的一个研究热点,大多数研究工作局限于跨音速或超音速等气流条件下,简单腔体的气动声学特性研究,而在普通的工程实践中,气流速度通常小于声速,并且腔体结构比简单空腔更为复杂。在较低气流速度下,复杂结构腔体气动声学特性的研究更具有广泛的实用价值。尽管目前国内外关于气流流过简单空腔所引发的边界层分离、气动噪声、压缩波一剪切层相互干扰等一系列复杂问题的研究工作和发表的成果较多,但是关于复杂结构腔体方面的研究比较少见,公开发表成果也较少。
　　 本文以插入管型消声器和油液分离器模型两种常见复杂结构腔体为研究对象,采用实验测试、理论分析和有限元数值分析相结合的研究手段,对该两种复杂结构腔体的气动声学特性进行了较为详尽的研究,并对其峰值频率进行了预测,最后总结出复杂结构腔体气动声学特性研究的一般方法。本文主要的研究工作包括:
　　 1、研制了以低压低速开放式消声风洞为气流源的复杂结构腔体气动声学特性测试实验台。分析了流动、尾管、腔体、以及腔体内部流-声反馈机制等因素的影响。
　　 2、研究发现:插入管型消声器的主要气动声学特性包含三类哨音。第一类哨音同时出现在消声器内部和外部,与尾管声学模态关系密切；第二类哨音在小长径比消声器内外部均未出现,而出现在中长径比消声器内部和外部,且仅出现在大长径比消声器的内部,与腔体声学模态密切相关；第三类哨音在中、小长径比消声器内部出现,而未出现在大长径比消声器内部和外部,与腔体内部流-声反馈机制关系密切。
　　 3、分别采用一维平面波分析法、声传递矩阵法和二维理论分析法推导出插入管型消声器穿透损失的计算公式,并对各种方法进行了比较。同时研究表明,采用一维平面波分析法和三维有限元数值分析法预测第一类和第二类哨音的峰值频率是有效的和准确的。
　　 4、研究发现:油液分离器模型的主要气动声学特性包含两类哨音。第一类哨音同时在其内部和外部,与腔体的声学模态关系密切；第二类哨音仅出现在其外部,与尾管声学模态密切相关。
　　 5、油液分离器模型气动声学特性的分析方法目前仅限于一维平面波分析法和三维有限元数值分析法,而声传递矩阵法和二维理论分析法暂时无法使用。同时研究表明,采用一维平面波分析法和有限元数值分析法预测第一类哨音的峰值频率是有效的和准确的；对于第二类哨音峰值频率的预测,仅有一维平面波分析法是有效的和准确的,而有限元数值分析法是不适用的。
　　 6、将原本应用于简单空腔的修正Rossiter公式进行再次修正后应用于复杂结构腔体气动声学特性的研究。
　　 7、总结出复杂结构腔体气动声学特性研究的一般方法。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 简单空腔问题的研究

1.2.2 复杂结构腔体问题的研究

1.3 本文主要研究工作

第二章 实验装置及测试方法

2.1 研究对象

2.1.1 插入管型消声器

2.1.2 油液分离器模型

2.2 实验装置和测试系统

2.2.1 实验装置

2.2.2 实验测试系统

2.3 本章小结

第三章 插入管型消声器气动声学特性的实验研究

3.1 插入管型消声器内外声场分析

3.2 插入管型消声器气动声学特性分析

3.2.1 尾管有无以及长径比的影响

3.2.2 尾管长度的影响

3.2.3 尾管插入深度的影响

3.2.4 入口管插入深度的影响

3.3 本章小结

第四章 插入管型消声器气动声学特性的机理分析及峰值频率预测

4.1 理论分析法

4.1.1 一维平面波分析法

4.1.2 其它分析方法

4.2 有限元数值分析法

4.2.1 有限元数值分析法简介

4.2.2 有限元分析消声器穿透损失的基本思路

4.3 插入管型消声器气动声学特性研究的有限元数值分析法

4.4 插入管型消声器气动声学特性的机理分析及峰值频率预测

4.4.1 消音与尾管共振

4.4.2 消音与腔体共振

4.4.3 消音与消声器内部腔体结构

4.4.4 实验遗留问题的讨论

4.5 本章小结

第五章 油液分离器模型气动声学特性的实验研究

5.1 油液分离器模型内外声场分析

5.2 油液分离器模型气动声学特性分析

5.2.1 尾管有无的影响

5.2.2 尾管长度的影响

5.2.3 尾管插入深度的影响

5.2.4 入口管插入深度的影响

5.2.5 深径比的影响

5.2.6 油液分离器模型与插入管型消声器气动声学特性的比较

5.3 本章小结

第六章 油液分离器模型气动声学特性的机理分析及峰值频率预测

6.1 理论分析法

6.1.1 一维平面波分析法

6.1.2 其它分析方法

6.2 油液分离器模型气动声学特性研究的有限元数值分析法

6.3 油液分离器模型气动声学特性的机理分析及峰值频率预测

6.3.1 哨音与尾管共振

6.3.2 消音与腔体共振

6.3.3 实验遗留问题的讨论

6.3.4 复杂结构腔体气动声学特性研究的一般方法

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 主要创新

7.3 研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间发表的论文