1.3.2聲學(xué)模型

    隨著風(fēng)機(jī)在通風(fēng)、冷卻設(shè)備和交通工具中的廣泛應(yīng)用,風(fēng)機(jī)降噪日益受到重視對于風(fēng)機(jī)噪聲的研究初期主要是實(shí)驗(yàn)研究,通過實(shí)驗(yàn)對噪聲源、噪聲特性和影響噪聲的主要因素進(jìn)行了深入研究,并導(dǎo)出了一些在一定條件下實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式[5<^]。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展以及計(jì)算流體力學(xué)和聲學(xué)計(jì)算方法的成熟,人們開始逐漸嘗試用數(shù)值方法求解氣動(dòng)聲學(xué)方程,以解決工程中日益突出的氣動(dòng)噪聲問題[5】]。目前,氣動(dòng)噪聲的數(shù)值計(jì)算方法有以下三種:計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法(ComputationalAero-Acoustic,簡稱CAA)、萊特希爾聲類比方法(LighthilTs Acoustic Analogy)以及混合計(jì)算方法(Hybrid Method)[52]。這三種方法擁有各自的特點(diǎn),在不同的工程應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)[53]。

1.3.2.1計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法(CAA)

作為計(jì)算流體力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)結(jié)合的一門交叉學(xué)科,計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)從80年代中期開始興起。計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法是模擬氣石家莊風(fēng)機(jī)廠動(dòng)聲學(xué)最全面的方法,它不依賴于任何聲學(xué)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(tǒng)一解[54]。在具體進(jìn)行計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)時(shí),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(xiàng),My、Ml分別為X方向、y方向和z方向的氣流馬赫數(shù)。

    計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法對整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行模擬,包括聲源區(qū)、接收區(qū)和聲音的傳播區(qū)域,通過嚴(yán)格的瞬態(tài)計(jì)算可以得到整個(gè)計(jì)算區(qū)域的壓力分布。因此,這種方法也是目前理論上最精確的計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)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(guān)系、聲場能量的形成和轉(zhuǎn)換以及流體內(nèi)部的發(fā)聲機(jī)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(shù)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(dǎo)致該種方法對網(wǎng)格尺度、計(jì)算時(shí)間及離散格式有非常高的要求。因此,計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法的計(jì)算量極大,所以目前很多實(shí)際的工程問題仍然不能使用這種方法。

1.3.2.2 混合計(jì)算方法(Hybrid Method)

    混合計(jì)算方法主要是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件和聲學(xué)軟件對工程中的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算,其本質(zhì)還是萊特希爾聲類比方法。但是,由于引入了專業(yè)的聲學(xué)計(jì)算軟件,因此能夠?qū)こ讨袣鈩?dòng)噪聲做出更全面的預(yù)測。例如,在進(jìn)行氣動(dòng)噪聲計(jì)算時(shí),可以計(jì)算流體載荷作用下引起的結(jié)構(gòu)箱射噪聲,可以考慮結(jié)構(gòu)的反射和散射以及考慮材料的吸聲特性等等。

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