风机噪声声学模型

1.3.2声学模型

    随着风机在通风、冷却设备和交通工具中的广泛应用,风机降噪日益受到重视对于风机噪声的研究初期主要是实验研究,通过实验对噪声源、噪声特性和影响噪声的主要因素进行了深入研究,并导出了一些在一定条件下实用的经验公式[5<^]。近年来,随着计算机技术的高速发展以及计算流体力学和声学计算方法的成熟,人们开始逐渐尝试用数值方法求解气动声学方程,以解决工程中日益突出的气动噪声问题[5】]。目前,气动噪声的数值计算方法有以下三种:计算气动声学方法(ComputationalAero-Acoustic,简称CAA)、莱特希尔声类比方法(LighthilTs Acoustic Analogy)以及混合计算方法(Hybrid Method)[52]。这三种方法拥有各自的特点,在不同的工程应用中各有优缺点[53]。

1.3.2.1计算气动声学方法(CAA)

作为计算流体力学和气动声学结合的一门交叉学科,计算气动声学从80年代中期开始兴起。计算气动声学方法是模拟气石家庄风机厂动声学最全面的方法,它不依赖于任何声学模型。由于流场和声场的基本方程是一致的,因此可以从N-S方程直接得到流场和声场的统一解[54]。在具体进行计算气动声学时,通常可以忽略流体的枯性,并且忽略高阶小量,从而可以使用均匀流场下的三维线化欧拉^^
 

上式中H为源项,My、Ml分别为X方向、y方向和z方向的气流马赫数。

    计算气动声学方法对整个计算域进行模拟,包括声源区、接收区和声音的传播区域,通过严格的瞬态计算可以得到整个计算区域的压力分布。因此,这种方法也是目前理论上最精确的计算气动声学的方法。利用这种方法可以直观和清晰地研究流体中的旋祸、势流以及旋祸之间的相互作用关系、声场能量的形成和转换以及流体内部的发声机理[57]。但是,由于声场和流场的特性存在很大差异,特别是在低马赫数下,声场能量与祸能量、声波波长与端流尺度以及声压与流场宏观压力的量级差异,导致该种方法对网格尺度、计算时间及离散格式有非常高的要求。因此,计算气动声学方法的计算量极大,所以目前很多实际的工程问题仍然不能使用这种方法。

1.3.2.2 混合计算方法(Hybrid Method)

    混合计算方法主要是利用计算流体动力学软件和声学软件对工程中的气动噪声进行联合仿真计算,其本质还是莱特希尔声类比方法。但是,由于引入了专业的声学计算软件,因此能够对工程中气动噪声做出更全面的预测。例如,在进行气动噪声计算时,可以计算流体载荷作用下引起的结构箱射噪声,可以考虑结构的反射和散射以及考虑材料的吸声特性等等。

    混合计算方法的流程如下【58】:1).对流动问题进行瞬态计算,根据需要计算的最高频率,由奈奎斯特采样定理合理设定时间步长和计算总时长;2).将流场瞬态计算结果输出为时域的压力脉动或者速度脉动。通常输出为CGNS格式的文件,以此方便与声学计算软件进行数据交换;3).将瞬态计算的结果导入声学计算软件,并在声学计算软件中转化为等效声源(单极子、偶极子或者四极子声源),同时通过快速傅里叶变换将时域数据转化为频域数据;4).声学计算以及后处理。在声学计算时,可以考虑材料吸声 性、流固祸合效应或者声振辅合效应等[59】。混合计算方法的最大优势在于,能够更加真实地模拟工程中实际、 的气动噪声问题。但是由于混合计算方法是将流场与声场完全独立分开计算,因此,不能考虑声场对流场的反作用;同时,声场的计算结果精度也完全依赖于流场计算的结果。另外,由于声学计算软件对计算网格有特殊的要求,即最大单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6或者小于最髙计算频率点处的波长的1/6[6。],因此对于高频气动噪声的计算,必然会造成网格数量的大幅增加和计算效率的急剧降低。所以,潘合计算方法并不适合计算髙频的气动噪声。