徐春龍 李皖

摘要 基于大渦模擬（large eddy simulation，LES）和FWH聲比擬方法，仿真計算了波紋管氣動噪聲的三維模型，結果與理論值和實驗測量相符合。對波紋深度進行了參數(shù)化計算分析，結果表明：①空氣流過波紋管時，在波紋節(jié)點處絕對壓力出現(xiàn)極大值，在波紋腹點處出現(xiàn)極小值;②隨著軸向距離的增加，氣動噪聲的表面聲壓時均值增大;③隨著波紋管波紋深度的增大，聲壓級和功率譜密度均值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其數(shù)值計算方法對管道噪聲處理有潛在應用價值。

關鍵詞 大渦模擬；FWH聲比擬方法；氣動噪聲

中圖分類號：O422.8? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2023-01-007

The influence of corrugation depth on aerodynamic noisecharacteristics of corrugated pipes

XU Chunlong1， LI Wan2

（1.College of Science， Changan University， Xian 710064，? China;

2.School of Electronics and Control Engineering， Changan University， Xian 710064， China）

Abstract Based on the method of LES （large eddy simulation） and FWH （Ffowcs Williams-Hawkings）， the aerodynamic noise of corrugated tubes in 3D model was simulated and calculated， which was consistent with the theoretical value and experimental value. Comparing the results of parametric calculation and analysis of corrugated depth， the research results show that： ① when the air flowing through corrugated tubes， the maximum of the absolute pressure appears at the corrugated pitch point and the minimum appears at the corrugated ventral point. ② The average of surface sound pressure of aerodynamic noise increases as the axial distance increasing. ③ The sound pressure level and the mean power spectral density first increase and then decrease as the corrugated depth increasing. The numerical calculation method in this paper has potential application value in the field of duct noise processing.

Keywords LES; FWH sound comparison method; aerodynamic noise

空氣以一定的速度流過波紋管時會產生湍流并發(fā)出響亮的聲音，這種現(xiàn)象常見于通風系統(tǒng)內的管道、排水管道以及汽笛等［1-3］。波紋管氣動噪聲現(xiàn)象會導致較強的聲壓級和較高的噪聲頻率，對周圍環(huán)境造成噪聲污染，甚至會對管道設備帶來安全隱患［4-7］。波紋管氣動噪聲研究是國內外研究者關注的熱點。楊黨國等人采用數(shù)值法探究了空腔自激振蕩發(fā)聲機理，得到了典型空腔模型的氣動噪聲特性［8］。孟令雅等人采用FWH聲比擬法和邊界元法，對管道噪聲聲源進行了數(shù)值計算［9］。Crawford研究了波紋管氣動噪聲的基頻，提出了基于無摩擦流的波紋管氣動噪聲預測理論［10］。Nakamura等人實驗測量了波紋管的聲振蕩現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了波紋管氣動噪聲導致剪切層的不穩(wěn)定性現(xiàn)象，從而導致了流聲耦合系統(tǒng)的自激振蕩現(xiàn)象［11］。王光學等人基于轉捩模型和聲比擬方法研究了圓柱噪聲的產生機理［12］。根據(jù)前人研究可知，波紋管發(fā)聲現(xiàn)象產生的機理尚不明確。

本文基于前人對波紋管不同幾何結構內的流動及其導致的聲學現(xiàn)象的研究，利用ANSYS Fluent軟件，采用LES湍流模型和FWH聲比擬方法，結合波紋管氣動噪聲理論和實驗測量結果，對波紋管三維模型進行了氣動噪聲仿真計算，并研究了波紋管內流動特性和聲學特性，對波紋深度進行了參數(shù)化仿真，探究了波紋管的結構和發(fā)聲機理。

2 波紋管氣動噪聲實驗與仿真計算

2.1 波紋管氣動噪聲實驗

波紋管氣動噪聲實驗測量使用的設備主要包括波紋管（AD16200mm）、AEROPRO1200W手提式鼓風機、TASCAM DR-40高保真數(shù)字錄音機、AS-H8風速儀、VC824聲級計、鐵架臺等，實驗裝置如圖1所示。

實驗測量中，將波紋管沿水平方向固定于鐵架臺上，保證其與臺面平行，調節(jié)鼓風機風口平面與波紋管入口平面平行。啟動鼓風機并緩慢調節(jié)風速，連續(xù)可調最高至25 m／s，當波紋管出現(xiàn)明顯且穩(wěn)定的波紋管噪聲時，在測量點用錄音機錄音，每個頻段重復測量3～5次，記錄數(shù)據(jù)。對實驗數(shù)據(jù)用Matlab自編程序進行傅里葉變換處理分析，得到波紋管氣動噪聲聲壓級頻譜圖與峰值頻率。

2.2 建立波紋管三維模型

根據(jù)實驗用波紋管的實際尺寸，建立波紋管幾何模型，進行網(wǎng)格劃分并清洗網(wǎng)格，建模模型如圖2所示。其中：L為波紋管長度；h為波紋深度；r為波紋管管口半徑；d1為波紋寬度，d2為波紋間距。設置波紋管及內部流體為計算域， 空氣入口速度大小為20 m／s，方向沿Z軸正方向。設置時間步長Δt=0.000 01 s，先計算4 000步至穩(wěn)定狀態(tài)，開啟FWH聲學模塊，再計算6 000步至0.1 s。設置監(jiān)測點坐標時與實驗測量位置坐標保持一致。

2.3 流場分析

對絕對壓力沿Z軸方向進行分析，結果如圖3A所示，表明沿Z軸方向上波紋管各點的絕對壓力整體隨距離的增加而降低，且在波紋節(jié)點處的絕對壓力出現(xiàn)極大值，腹點處出現(xiàn)極小值，在管口第1個波紋節(jié)點處出現(xiàn)最大值。對空氣流速沿Y軸方向的分布進行分析，結果如圖3B所示，表明波紋管內速度場的分布由管徑中心至管壁，速度呈現(xiàn)梯度分布，越靠近波紋管管壁速度越小。

波紋管三維模型下的速度場仿真結果如圖4所示，可見空氣沿波紋管流動過程中，在波紋腹點出現(xiàn)速度極大值，在波紋節(jié)點出現(xiàn)速度極小值。分析YOZ切面速度云圖可知，在波紋管上游，空氣流動較為穩(wěn)定，而下游出現(xiàn)擾動和湍流，下游的擾動導致了波紋管氣動噪聲現(xiàn)象的產生。

2.4 聲學分析

對波紋管聲壓脈動時均值分析結果如圖5所示，可見表面聲壓脈動時均值隨著沿Z軸方向距離的增大而逐漸增大，表明了波紋管氣動噪聲的聲源域主要集中在下游區(qū)域［16-18］。

將實驗測量結果用Matlab自編程序進行快速傅里葉變換，獲得波紋管噪聲頻譜圖，與模擬計算結果對比如圖6A所示，對比結果顯示聲壓級的實驗值和數(shù)值計算值整體趨勢基本一致，在100～5 500 kHz頻段范圍內，數(shù)值計算結果能較為準確地預測氣動噪聲的聲壓級。

波紋管氣動噪聲頻率的理論預測值由Cumings模型及其共振頻率公式給出，理論值、實驗測量值以及數(shù)值計算值對比如圖6B所示，f1～f11為噪聲峰值頻率。結果顯示LES聯(lián)合FWH數(shù)值計算結果較為準確。

2.5 波紋深度影響分析

基于以上的仿真計算方法，研究了波紋深度對波紋管氣動噪聲特性的影響。在空氣流速一定條件下，選用不同波紋管的幾何參數(shù)如表1所示。

用LES聯(lián)合FWH數(shù)值計算的方法對所選5種不同波紋深度的波紋管進行氣動噪聲分析。圖7是在空氣流速v=20 m/s時，改波紋深度得到的不同波紋管速度場分布情況。分析可知，當波紋深度較小時，波紋管上游區(qū)域幾乎呈層流狀態(tài)，在下游局部區(qū)域出現(xiàn)明顯的擾動;當增大波紋深度時，下游區(qū)域處速度擾動增大;當波紋深度為1.25 mm時，波紋管下游擾動最為明顯。通過放大觀察波紋節(jié)點處的YOZ切面流線圖可知，當波紋深度較小時，波紋節(jié)點處的空氣呈層流狀態(tài)，隨著波紋深度的增大，波紋節(jié)點處的流逐漸紊亂，且逐漸產生旋渦。

圖8A是波紋深度對聲壓級頻譜展開的影響，? 隨著深度的增大， 波紋管氣動噪聲的聲壓級頻譜整體分布趨勢一致。 圖8B是波紋深度對功率譜密度和聲壓級均值的影響， 深度最小時， 波紋管的功率譜密度均值在0.000 75 W／Hz附近，聲壓級均值約為62.5 dB;深度增大，功率譜密度均值和聲壓級均值也隨之增大;深度為1.25 mm時，功率譜密度均值超過0.002 W／Hz，增幅超過一倍，聲壓級均值約為67 dB;深度繼續(xù)增大時，功率譜密度均值和聲壓級均值開始降低;深度為1.65 mm時，功率譜密度均值最低，為0.000 6 W／Hz，而聲壓級均值約為61.5 dB。

3 結語

本文使用LES湍流模型和FWH聲比擬方法對波紋管三維模型進行了氣動噪聲仿真計算，驗證了LES聯(lián)合FHW聲比擬方法的準確性和可行性。同時，對不同波紋管的波紋深度進行了參數(shù)化仿真計算，結果表明，波紋管氣動噪聲現(xiàn)象產生時，壓力會在波紋處出現(xiàn)波動，絕對壓力隨軸向距離增大而逐漸降低，聲源位于管壁下游區(qū)域，離出口端越近，表面聲壓時均值越大;隨著波紋深度的增加，功率譜密度和聲壓級均值先增大后減小，在特定值出現(xiàn)最大值。本文使用的LES聯(lián)合FHW數(shù)值仿真計算方法對工業(yè)領域中管道輸運波紋管氣動噪聲具有參考意義。

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（編 輯 李 靜）