采用泡沫金屬材料作聲襯的流場(chǎng)特性分析研究

王 鑫，潘 凱，劉興強(qiáng)，段宇星

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

泡沫金屬具有良好的聲吸收特性，很多學(xué)者基于理論和試驗(yàn)對(duì)泡沫金屬的聲學(xué)特性進(jìn)行了研究。M.A.Biot[1]提出了一種基于固相和液相之間黏性、黏彈性和慣性耦合作用的傳聲模型，并研究了在不同頻率下多孔材料的聲吸收特性。Johnson[2]等研究了牛頓流體在多孔介質(zhì)中孔隙壓力梯度下的高頻漸近特性，定義了黏性特征長(zhǎng)度這個(gè)宏觀物理參數(shù)，提出了孔的微觀幾何形狀與黏性特征長(zhǎng)度相關(guān)的結(jié)論。Champoux等[3]研究了孔壁附近的邊界層上空氣飽和材料不同流體層間的熱交換效應(yīng)，同時(shí)引入了熱特征長(zhǎng)度，針對(duì)高孔隙率多孔材料構(gòu)建了一個(gè)新型模型，除靜流阻之外又引入兩個(gè)新的參數(shù)。盧天健等[4]基于對(duì)泡沫金屬和用于制造泡沫金屬的高分子基體材料的試驗(yàn)，提出了聲波通過(guò)泡沫金屬傳播的3種黏滯模型。

目前，對(duì)泡沫金屬材料聲學(xué)性能的研究主要集中在理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試兩個(gè)方面，對(duì)其應(yīng)用的研究較少，尤其是在航空領(lǐng)域的研究。本文將泡沫金屬作為聲襯結(jié)構(gòu)研究其流場(chǎng)特性，將泡沫金屬材料作為聲襯邊界，建立泡沫金屬聲襯邊界條件，對(duì)其聲場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 控制方程與邊界條件

泡沫金屬是一種具有多孔性的金屬材料，其流場(chǎng)特性可以等效為多孔介質(zhì)流場(chǎng)特性。多孔介質(zhì)模型定義為在多孔介質(zhì)的區(qū)域結(jié)合了一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)為主的流動(dòng)阻力，即在動(dòng)量方程上疊加一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)。

2.1 泡沫金屬等效多孔介質(zhì)動(dòng)量方程

多孔介質(zhì)中流體的動(dòng)量方程是在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)量方程的基礎(chǔ)上疊加動(dòng)量源項(xiàng)。動(dòng)量源項(xiàng)由黏性損失項(xiàng)(式(1)右邊第一項(xiàng))和慣性損失項(xiàng)(式(1)右邊第二項(xiàng))組成。

(1)

式中，Si是i(x,y,z)動(dòng)量方程的源項(xiàng)，D和C是矩陣，|v|是速度的大小。

等效的泡沫金屬多孔介質(zhì)區(qū)域壓力梯度受動(dòng)量源項(xiàng)的影響，生成一個(gè)與速度大小(速度平方)成正比的壓降。

假設(shè)泡沫金屬材料是各向同性的材料，進(jìn)而可以簡(jiǎn)化為：

(2)

式中，a表示滲透性系數(shù)，C2表示慣性阻力系數(shù)，即C、D矩陣簡(jiǎn)化為對(duì)角矩陣，對(duì)角矩陣上的系數(shù)分別為C2和1/a，其他元素都是0。

通過(guò)等效多孔介質(zhì)的層流，典型壓降與速度大小成正比，常數(shù)C2被認(rèn)為是0。忽略對(duì)流加速度和擴(kuò)散，多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程源項(xiàng)就可以化簡(jiǎn)為Darcy定律：

(3)

三個(gè)不同方向的壓降采用fluent計(jì)算如下：

(4)

(5)

(6)

式中，1/aij是式(1)中矩陣D的項(xiàng)，vj是x,y,z方向速度，Δnx,Δny,Δnz是x,y,z方向的等效多孔介質(zhì)厚度。

當(dāng)高速流動(dòng)時(shí)，式(2)中常數(shù)C2是對(duì)等效多孔介質(zhì)中對(duì)于慣性損失的修正。正常常數(shù)被認(rèn)為是流動(dòng)方向單位長(zhǎng)度的損失系數(shù)。等效多孔介質(zhì)的壓降方程為：

(7)

x,y,z方向的壓力損失項(xiàng)為：

(8)

2.2 泡沫金屬等效多孔介質(zhì)能量方程

采用Fluent在等效多孔介質(zhì)區(qū)域求解能量輸運(yùn)方程，且對(duì)傳導(dǎo)通量和瞬態(tài)項(xiàng)進(jìn)行修正。在等效多孔介質(zhì)區(qū)域，使用一個(gè)有效的傳導(dǎo)率表示傳導(dǎo)通量，瞬態(tài)項(xiàng)包含了等效多孔介質(zhì)中的固體區(qū)域的熱慣性。

(9)

根據(jù)區(qū)域中的流體熱傳導(dǎo)和固體熱傳導(dǎo)的體積平均得到多孔介質(zhì)的有效熱傳導(dǎo)率keff：

keff=γkf+(1-γ)ks

(10)

式中，kf為流體項(xiàng)的熱傳導(dǎo)率(其中包含湍流影響)，ks為固體區(qū)域的熱傳導(dǎo)率。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬

數(shù)值計(jì)算采用CFD軟件Fluent 6.2，并引入自定義函數(shù)。利用壓力-速度耦合的Simple算法求解壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)[5]。將泡沫金屬邊界條件等效為多孔介質(zhì)條件，圖1為計(jì)算模型示意圖，來(lái)流10m/s，中間安裝了泡沫金屬，這里采用多孔介質(zhì)模型替代進(jìn)行流場(chǎng)分析。多孔介質(zhì)模型中的慣性阻力的三個(gè)主方向?yàn)?00000m-1。入口邊界為來(lái)流邊界，出口為壓力出口。

圖1 模型示意圖

3.2 結(jié)果分析與討論

本研究將泡沫金屬等效為多孔介質(zhì)，對(duì)比加入多孔介質(zhì)后流場(chǎng)信息的變化。在計(jì)算中取多孔介質(zhì)孔隙率為0.9，Pr=5.42，結(jié)果如圖2-圖4所示(圖2、圖3、圖4分別為加入多孔介質(zhì)與沒(méi)有加入多孔介質(zhì)的速度分布、湍流耗散率分布、湍動(dòng)能分布對(duì)比分析圖)。

(a)加入多孔介質(zhì)

(a)加入多孔介質(zhì)

從圖2可以看出，加入多孔介質(zhì)邊界條件，速度在邊界條件區(qū)域有明顯的階躍，多孔介質(zhì)邊界左側(cè)進(jìn)口速度約為10.2m/s，多孔介質(zhì)邊界右側(cè)出口速度降為9.9m/s。對(duì)比無(wú)多孔介質(zhì)加入的情況，相同的來(lái)流速度10m/s，出口速度中心區(qū)域大于10.5m/s。加入多孔介質(zhì)后，流場(chǎng)速度明顯減弱，說(shuō)明泡沫金屬的加入實(shí)現(xiàn)了速度階躍，體現(xiàn)了泡沫金屬多孔材料的吸聲特性。

從圖3可以看出，無(wú)多孔介質(zhì)加入時(shí)，湍流耗散率整體呈現(xiàn)梯形變化，中間區(qū)域幾乎無(wú)變化，出口處上下邊緣出現(xiàn)明顯耗散帶，說(shuō)明在出口處湍流耗散最明顯。而加入多孔介質(zhì)后，可以明顯看出耗散率分層變化，形成湍流耗散明顯降低的過(guò)程，說(shuō)明加入多孔介質(zhì)后，湍流耗散率明顯提高。

從圖4可以看出，無(wú)多孔介質(zhì)加入時(shí)，湍動(dòng)能變化整體呈現(xiàn)梯形區(qū)，即中間區(qū)域幾乎無(wú)變化，出口處上下邊緣出現(xiàn)明顯湍動(dòng)能增加，說(shuō)明在出口處湍動(dòng)能最大。加入多孔介質(zhì)后，湍動(dòng)能在多孔介質(zhì)邊界出現(xiàn)明顯下降并趨于0，在整體出口處也有明顯的減小。

(a)加入多孔介質(zhì)

4 結(jié) 論

本文通過(guò)建立泡沫金屬多孔介質(zhì)模型，對(duì)多孔泡沫金屬的流場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真研究，分別對(duì)比加入多孔介質(zhì)與沒(méi)有加入多孔介質(zhì)的速度分布、湍流耗散率分布、湍動(dòng)能分布。從仿真結(jié)果可以看出，加入多孔介質(zhì)后，流場(chǎng)的速度減弱、湍動(dòng)能與湍流耗散率減弱。這些湍流信息的削弱可以從側(cè)面說(shuō)明，在加入多孔介質(zhì)后，其氣動(dòng)噪聲將有所降低。