風機噪聲聲學模型

1.3.2聲學模型

    隨著風機在通風、冷卻設備和交通工具中的廣泛應用,風機降噪日益受到重視對于風機噪聲的研究初期主要是實驗研究,通過實驗對噪聲源、噪聲特性和影響噪聲的主要因素進行了深入研究,并導出了一些在一定條件下實用的經驗公式[5<^]。近年來,隨著計算機技術的高速發展以及計算流體力學和聲學計算方法的成熟,人們開始逐漸嘗試用數值方法求解氣動聲學方程,以解決工程中日益突出的氣動噪聲問題[5】]。目前,氣動噪聲的數值計算方法有以下三種:計算氣動聲學方法(ComputationalAero-Acoustic,簡稱CAA)、萊特希爾聲類比方法(LighthilTs Acoustic Analogy)以及混合計算方法(Hybrid Method)[52]。這三種方法擁有各自的特點,在不同的工程應用中各有優缺點[53]。

1.3.2.1計算氣動聲學方法(CAA)

作為計算流體力學和氣動聲學結合的一門交叉學科,計算氣動聲學從80年代中期開始興起。計算氣動聲學方法是模擬氣石家莊風機廠動聲學最全面的方法,它不依賴于任何聲學模型。由于流場和聲場的基本方程是一致的,因此可以從N-S方程直接得到流場和聲場的統一解[54]。在具體進行計算氣動聲學時,通常可以忽略流體的枯性,并且忽略高階小量,從而可以使用均勻流場下的三維線化歐拉^^
 

上式中H為源項,My、Ml分別為X方向、y方向和z方向的氣流馬赫數。

    計算氣動聲學方法對整個計算域進行模擬,包括聲源區、接收區和聲音的傳播區域,通過嚴格的瞬態計算可以得到整個計算區域的壓力分布。因此,這種方法也是目前理論上最精確的計算氣動聲學的方法。利用這種方法可以直觀和清晰地研究流體中的旋禍、勢流以及旋禍之間的相互作用關系、聲場能量的形成和轉換以及流體內部的發聲機理[57]。但是,由于聲場和流場的特性存在很大差異,特別是在低馬赫數下,聲場能量與禍能量、聲波波長與端流尺度以及聲壓與流場宏觀壓力的量級差異,導致該種方法對網格尺度、計算時間及離散格式有非常高的要求。因此,計算氣動聲學方法的計算量極大,所以目前很多實際的工程問題仍然不能使用這種方法。

1.3.2.2 混合計算方法(Hybrid Method)

    混合計算方法主要是利用計算流體動力學軟件和聲學軟件對工程中的氣動噪聲進行聯合仿真計算,其本質還是萊特希爾聲類比方法。但是,由于引入了專業的聲學計算軟件,因此能夠對工程中氣動噪聲做出更全面的預測。例如,在進行氣動噪聲計算時,可以計算流體載荷作用下引起的結構箱射噪聲,可以考慮結構的反射和散射以及考慮材料的吸聲特性等等。

    混合計算方法的流程如下【58】:1).對流動問題進行瞬態計算,根據需要計算的最高頻率,由奈奎斯特采樣定理合理設定時間步長和計算總時長;2).將流場瞬態計算結果輸出為時域的壓力脈動或者速度脈動。通常輸出為CGNS格式的文件,以此方便與聲學計算軟件進行數據交換;3).將瞬態計算的結果導入聲學計算軟件,并在聲學計算軟件中轉化為等效聲源(單極子、偶極子或者四極子聲源),同時通過快速傅里葉變換將時域數據轉化為頻域數據;4).聲學計算以及后處理。在聲學計算時,可以考慮材料吸聲 性、流固禍合效應或者聲振輔合效應等[59】。混合計算方法的最大優勢在于,能夠更加真實地模擬工程中實際、 的氣動噪聲問題。但是由于混合計算方法是將流場與聲場完全獨立分開計算,因此,不能考慮聲場對流場的反作用;同時,聲場的計算結果精度也完全依賴于流場計算的結果。另外,由于聲學計算軟件對計算網格有特殊的要求,即最大單元的邊長要小于計算頻率最短波長的1/6或者小于最髙計算頻率點處的波長的1/6[6。],因此對于高頻氣動噪聲的計算,必然會造成網格數量的大幅增加和計算效率的急劇降低。所以,潘合計算方法并不適合計算髙頻的氣動噪聲。