基于大渦模擬和聲比擬的噴射流噪聲時(shí)域預(yù)測(cè)方法

但佳壁 鄭四發(fā) 劉海濤 連小珉

摘要： 結(jié)合大渦模擬（LES）湍流模型和聲比擬（AA）方法，對(duì)排氣噴射流噪聲進(jìn)行了全尺寸三維仿真研究，該方法兼顧了計(jì)算量與求解精度的需求，彌補(bǔ)了二維仿真模型在非均勻流場(chǎng)描述能力上的不足，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。排氣噴射流噪聲以低頻噪聲為主，其聲場(chǎng)具有較為明顯的空間指向性，形態(tài)與噴射流場(chǎng)相吻合，越靠近勢(shì)核和湍流混合區(qū)域，噪聲越強(qiáng)。排氣尾管的管口形式對(duì)流噪聲具有明顯的影響，相同流速下，由于擴(kuò)張管式尾管的尾流沿徑向擴(kuò)散，使得其管口附近的流噪聲要高于普通直管3～5 dB。關(guān)鍵詞： 聲輻射； 噴射流； 流噪聲； 大渦模擬； 聲比擬

中圖分類號(hào)： O422.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1004-4523（2016）03-0504-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.017

引言

排氣噪聲是汽車噪聲的重要來(lái)源之一，其組成包括空氣噪聲、輻射噪聲和氣流噪聲等[1]。研究表明汽車進(jìn)排氣噪聲對(duì)車外通過(guò)噪聲的貢獻(xiàn)率達(dá)20%以上[2]，特別是汽車在高速、大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，排氣噪聲的貢獻(xiàn)率大大增加，主要以氣流噪聲為主，且再生流噪聲使得排氣系統(tǒng)的消聲性能大為削弱。因此，了解排氣噴流噪聲的特點(diǎn)和機(jī)理，研究適合的噪聲預(yù)測(cè)方法和手段，對(duì)于汽車排氣系統(tǒng)的正向匹配設(shè)計(jì)具有積極意義。

排氣噴流噪聲是氣體高速流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，其產(chǎn)生機(jī)理較為復(fù)雜，由于排氣系統(tǒng)內(nèi)外流場(chǎng)具有高溫、高流速、非穩(wěn)態(tài)、非均勻的特點(diǎn)，準(zhǔn)確測(cè)量識(shí)別流噪聲以及數(shù)值計(jì)算都面臨諸多困難。國(guó)內(nèi)外的諸多學(xué)者用試驗(yàn)測(cè)量手段和仿真技術(shù)等對(duì)噴流噪聲問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，研究領(lǐng)域多見(jiàn)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車排氣系統(tǒng)。Roeck等[3]提出了用于氣流管道內(nèi)部的兩端測(cè)量技術(shù)，研究分析了管道及簡(jiǎn)單膨脹腔內(nèi)氣流噪聲的性質(zhì)；Wiemeler等[4]和Kunz等[5]通過(guò)試驗(yàn)方法總結(jié)出排氣溫度、排氣流量等參數(shù)對(duì)汽車排氣流噪聲的影響，并指出汽車排氣系統(tǒng)流噪聲主要由尾管內(nèi)的氣流馬赫數(shù)決定，可以通過(guò)排氣質(zhì)量流速率和排氣溫度預(yù)測(cè)流噪聲水平。Rona等[6]運(yùn)用TRANS（TimeDependent Reynolds Averaged NavierStoke）方法，使用軸對(duì)稱二維有限元模型，預(yù)測(cè)了2倍音速的航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴射噪聲；劉友宏等[7]采用二維kε湍流模型與FWH方程，研究V型尾緣噴口的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲及是其指向性；潘普生等[8]運(yùn)用kε湍流模型對(duì)低馬赫數(shù)下直管噴流的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用Lighthill方法預(yù)測(cè)了流噪聲的大小及其指向性；吳堃等[9]采用二維大渦模擬（LES，Large Eddy Simulation）模型再現(xiàn)了低流速下直管噴射過(guò)程中流場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)演化的過(guò)程，并以FWH方程求解了遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲；郝宗睿等[10]應(yīng)用FWH方程計(jì)算了圓形、矩形、橢圓形、三角形等多種截面形狀噴口的噴流噪聲。

噴射流噪聲預(yù)測(cè)仿真研究受限于計(jì)算模型和規(guī)模，多見(jiàn)于二維及軸對(duì)稱模型，但這與非定常非均勻的流場(chǎng)存在一定差異。尤其對(duì)于氣動(dòng)噪聲空間傳播問(wèn)題，利用二維仿真模型計(jì)算噪聲，需要估計(jì)聲源深度（將二維模型沿另一維度延拓的長(zhǎng)度），不同的聲源深度估計(jì)值會(huì)得到不同的仿真結(jié)果，這給計(jì)算帶來(lái)了不確定性，全尺寸三維模型則可保證聲學(xué)仿真模型與實(shí)際情況完全一致。另外，Rubio等[11]在應(yīng)用二維模型研究簡(jiǎn)單膨脹腔的氣動(dòng)音調(diào)噪聲（窄頻帶）產(chǎn)生機(jī)理后指出，針對(duì)寬頻帶的氣動(dòng)噪聲，需要獲取流場(chǎng)中更詳細(xì)的湍流信息，應(yīng)該使用三維模型仿真。

本文應(yīng)用大渦模擬（LES， Large Eddy Simulation）和聲比擬（AA，Acoustic Analogy）方法，研究排氣系統(tǒng)三維噴射流場(chǎng)的噴流噪聲與排氣氣體流速的關(guān)系，以及噴流噪聲的空間指向性等，并分析了兩種常見(jiàn)的排氣尾管形式的流噪聲特點(diǎn)，最后通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。本方法兼顧了計(jì)算量與求解精度，彌補(bǔ)了二維仿真模型在非均勻流場(chǎng)描述能力上的不足。

4結(jié)論

（1）建立了LES和AA相結(jié)合的排氣噴射流噪聲預(yù)測(cè)方法。仿真結(jié)果表明，噴射流噪聲以低頻為主，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。

（2）研究分析了直管和擴(kuò)張管兩種尾管的噴射流噪聲。仿真和試驗(yàn)均表明，相同流速條件下，擴(kuò)展管式尾管噴口附近的噴射流噪聲要高于普通直管3～5 dB。

（3）普通直管和開(kāi)口管的排氣噴射流噪聲的聲場(chǎng)具有明顯的空間指向性，與噴射流場(chǎng)形態(tài)一致，越靠近下游噴流勢(shì)核與湍流混合區(qū)的部位，噴流噪聲越強(qiáng)。

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