1、學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密 ，在

2、_年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密 。（請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目 錄摘要11前言31.1研究意義31.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3課題研究思路42水射流噪聲理論分析72.1 流體流動(dòng)基本方程72.2水射流湍流噪聲82.3水射流氣蝕噪聲103噴嘴數(shù)值模擬123.1風(fēng)琴管噴嘴的物理模型123.2風(fēng)琴管噴嘴的Hypermesh三維網(wǎng)格有限元模型143.3 Fluent流場計(jì)算中的邊界條件設(shè)置及其說明193.4 Fluent數(shù)值模擬結(jié)果分析213.5 Actran的聲場計(jì)算的邊界條件設(shè)置及說明243.6 Actran數(shù)值模擬結(jié)果分析274噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算

3、313.1正交實(shí)驗(yàn)理論簡介313.2正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)313.3.正交實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)的頻率-聲壓關(guān)系圖333.4 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及其結(jié)論365總結(jié)40參考文獻(xiàn)41致謝42第 1 頁 共 42 頁基于射流噪聲的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)學(xué) 生：王聲指導(dǎo)老師：徐翔 三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院摘要:水中的聲波具有能夠遠(yuǎn)距離傳遞信息而能量損耗小的優(yōu)點(diǎn)，人們利用聲波這一特性來進(jìn)行海洋探測，通訊以及水下目標(biāo)定位，水聲技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)且并被廣泛運(yùn)用于船舶與海洋工程領(lǐng)域。而風(fēng)琴管噴嘴射流流場中伴隨著巨大噪聲，研究其噪聲產(chǎn)生的機(jī)理并通過水聲技術(shù)將噪聲轉(zhuǎn)化穩(wěn)定的聲音信號用于海洋探測具有重要意義。本文運(yùn)用氣動(dòng)聲學(xué)中Lighthill

4、聲比擬定理對風(fēng)琴管噴嘴水下射流噪聲進(jìn)行了理論研究。應(yīng)用Hypermesh對風(fēng)琴管噴嘴進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，并通過Fluent軟件與Actran軟件分別對風(fēng)琴管形噴嘴的流場和聲場進(jìn)行數(shù)值模擬，得出噴嘴速度，總壓力，湍流動(dòng)能以及聲壓與位置的關(guān)系分布圖。說明了噴嘴具備產(chǎn)生空化的條件并且我們得到對聲音強(qiáng)度影響最大的四個(gè)參數(shù)。然后應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)理論來確定實(shí)驗(yàn)次數(shù)，從中選取最優(yōu)參數(shù)組最終確定噴嘴的結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞:風(fēng)琴管噴嘴；射流噪聲；Lighthill聲比擬理論；數(shù)值模擬；正交實(shí)驗(yàn)Abstract:The sound waves in the water has the advantages of conveyi

5、ng information over a long distance with low energy loss, of which the characters are applied to ocean exploration, communication and localization of underwater object, thus leading to the birth of underwater acoustic technology which is widely employed in the field of Naval Architecture and Ocean E

6、ngineering. The jet flow field of organ-pipe nozzle has large noise, it is of great significance to study the mechanism of noise generation and convert noise into stable acoustical signal by underwater acoustic technology to use for ocean exploration.In This paper ,the Lighthill Acoustic analogy the

7、orem is applied to study the jet noise of organ-pipe nozzle underwater. Hypermesh is used to give dimensional griding of the work piece to the organ-pipe nozzle, and the distribution diagram of jet velocity, total pressure, turbulence kinetic energy and the relationship between the sound pressure an

8、d position are obtained through the numerical simulation of Fluent software and Actran software respectively on flow field and acoustic field of organ-pipe nozzle. Which illustrate that the nozzle have condition of generating cavitation and we get four parameters having great influence on the intens

9、ity of the sound. Then the theory of orthogonal experiment is used to determine the number of experiments and choose the optimal parameter eventually determine the structure of the nozzle.Keywords:Organ-pipe nozzle, Jet noise, Lighthill Acoustic analogy theorem, numerical simulation, orthogonal expe

10、riment第 41 頁 共 42 頁1前言隨著人們對水射流理論研究的成熟，水射流技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生活實(shí)際中，例如煤礦開采和鉆井石油開采。水射流技術(shù)的原理是在一定的溫度時(shí)，當(dāng)大氣壓力低于水的該溫度下的飽和蒸汽壓力就會(huì)產(chǎn)生局部空化，產(chǎn)生大量的氣泡同時(shí)伴隨著產(chǎn)生的氣泡的潰滅，進(jìn)而對固體表面產(chǎn)生巨大的沖擊力進(jìn)而完成對石油或是煤礦的開采。但是在噴嘴射流的同時(shí)又會(huì)伴隨著很大的射流噪聲，這一弊端就給實(shí)際應(yīng)用帶來很大的麻煩，例如艦船上所采用的噴水推進(jìn)技術(shù)中關(guān)鍵問題之一在于噴水噪聲過來，容易被敵方所偵察到。但是從反的方面去想，如果我們能夠用信號處理技術(shù)將產(chǎn)生的噪聲轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的聲源信號并將其應(yīng)用于海洋地質(zhì)勘

11、探或者是軍事噪聲信號對抗中，就能夠變廢為寶。本文所研究的課題就是在給定的原始參數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出射流噪聲最大的噴嘴，即在選定噴嘴類型的同時(shí)通過修改各參數(shù)選出最優(yōu)的參數(shù)組使得噴嘴的射流噪聲最大。1.1研究意義眾所周知，聲波在現(xiàn)代的船舶與海洋工程有著廣泛的應(yīng)用，水聲波作為一種機(jī)械波不僅有著傳播速度快的特點(diǎn)，即每秒1500米；而且相對于其他形式的波（如電磁波和光波）在海洋中傳播的過程不易被海水吸收因而有著能量損失小的優(yōu)勢，根據(jù)一項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，頻率為10赫茲的聲波在海水中傳播時(shí)每公里的損失僅為1分貝，而同頻率的電磁波在海水的傳播過程中每公里的損失高達(dá)4500分貝，相比而言，在海洋探測的領(lǐng)域中，聲波是一種最

12、為理想的介質(zhì)波。海洋對于人類而言是一個(gè)巨大的寶盆，因此對于海洋的深入研究是很有必要的，而在研究的過程中聲波是最好的工具，特別是隨著近代以來人們對海洋探測的深入，人們越來越受到重視與水下探測相關(guān)的技術(shù)，其技術(shù)可應(yīng)用于如海洋深度探測，軍事掃雷，魚群探測等幾方面，而往往決定這些技術(shù)好壞的是所應(yīng)用的聲波的質(zhì)量，而在聲波的質(zhì)量中一個(gè)明顯的標(biāo)準(zhǔn)就是聲音強(qiáng)度的大小，產(chǎn)生聲波就必須有一個(gè)相應(yīng)的聲源，而噴嘴的空化射流就可以定義為聲源。對于高速流動(dòng)的流體，如果在固體物體在某一部位的局部壓力低于該處的飽和蒸汽壓力時(shí)，在水中溶解的氣體會(huì)逸出而且水自身也會(huì)汽化從而形成很多氣泡，當(dāng)這些氣泡到達(dá)高壓區(qū)的時(shí)候會(huì)迅速潰滅產(chǎn)生壓

13、縮波或者射流，這就對附近的固體表面產(chǎn)生了巨大的破壞，于此同時(shí)還伴隨著巨大的空化噪聲?？栈瘜腆w表面的破壞性的特點(diǎn)被應(yīng)用于煤礦開采等，而空化產(chǎn)生巨大的噪聲則是本文研究的對象。在本課題的研究中就是通過對氣動(dòng)聲學(xué)射流噪聲的理論研究進(jìn)而類比地去分析水射流噪聲，通過軟件的數(shù)值模擬，選擇出能產(chǎn)生最大空化射流噪聲的噴嘴。1.2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀關(guān)于噴嘴，特別是空化噴嘴的文獻(xiàn)資料較多，Johnson等人于上世紀(jì)60年代末將空化作用引入高壓水射流技術(shù)領(lǐng)域，創(chuàng)造了新型空化射流技術(shù)。隨著空化射流技術(shù)的發(fā)展，不少研究人員對此進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)。在80年代初，美國Tractor流體公司的A. F. Conn和V.E. Jo

14、hnson等人根據(jù)水聲學(xué)的原理，提出了自振空化水射流的概念并進(jìn)行了大量的研究，形成了聲諧自振空化水射流的兩種典型結(jié)構(gòu)風(fēng)琴管噴嘴和亥姆霍茲振蕩腔噴嘴。1985年美國水射流會(huì)議上，日本Katsuya Yanacda報(bào)告了淹沒條件下簡單角形噴嘴的試驗(yàn)，這種噴嘴能夠促進(jìn)空化在水里產(chǎn)生，通過噴嘴出口段擴(kuò)散形狀的改變，加劇了射流與周圍液體之間的剪切作用，從而引起空泡的產(chǎn)生。Vijav 等人創(chuàng)立了人工淹沒射流狀態(tài)，利用同軸重疊噴嘴結(jié)構(gòu)，使內(nèi)噴嘴高壓水與外噴嘴低壓水環(huán)形水束的界面之間構(gòu)成強(qiáng)烈剪切射流現(xiàn)象，它顯示了有效的沖蝕性能和擴(kuò)大靶距范圍。胡壽根和朱美洲以錐形噴嘴為研究對象，利用實(shí)驗(yàn)研究了錐形噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對

15、射流性能的影響關(guān)系，分析了靶距、射流壓力、沖蝕時(shí)間及淹沒水深對淹沒空化射流的影響關(guān)系，得出了實(shí)現(xiàn)最佳空化條件的匹配參數(shù)。王萍輝和李根生等以自激振蕩空化噴嘴為研究對象，對自振空化水射流進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究，研究表明：在測試條件下各種風(fēng)琴管噴嘴的壓力脈動(dòng)存在最優(yōu)噴距，無因次最優(yōu)噴距都在814范圍內(nèi)，與錐角為120的普通錐形噴嘴相比，風(fēng)琴管自振空化射流的沖擊壓力脈動(dòng)峰值和脈動(dòng)幅度高37%和24%。重慶大學(xué)的盧義玉等人以15收縮角，18擴(kuò)散角為，1mm喉管直徑的縮放型空化噴嘴為試驗(yàn)對象，得到最佳沖蝕效果的有效靶距直徑比為6，最佳沖蝕時(shí)間為3min；空化射流深度沖蝕能力平均為普通射流深度沖蝕能力2

16、倍的結(jié)論。湖南工業(yè)大學(xué)的張鳳華等人同樣以收縮-擴(kuò)散型空化噴嘴為研究對象，開展了一系列研究，重點(diǎn)討論了噴嘴各參數(shù)對噴嘴空化效果的影響。東北石油大學(xué)的楊樹人建立了角形空化噴嘴和風(fēng)琴管形空化噴嘴的三維結(jié)構(gòu)模型和數(shù)值模型，采用 SIMPEC 算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過計(jì)算認(rèn)為在特定參數(shù)下，角形噴嘴的空化效果優(yōu)于風(fēng)琴管形噴嘴。目前對空化清洗的研究大都停留在實(shí)驗(yàn)室研究的層面，研究對象是的縮放噴嘴、角形空化噴嘴和風(fēng)琴管形噴嘴，研究方法主要采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)，其中數(shù)值模擬主要是建立噴嘴的三維模型，通過CFD 軟件進(jìn)行分析。1952年，英國科學(xué)家Lighthill為解決噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲問題，推導(dǎo)出了日后奠

17、定了氣動(dòng)聲學(xué)理論基礎(chǔ)的Lighthill方程。他根據(jù)做出的假設(shè)，推導(dǎo)出了射流噪聲的八次方定理，該定理是聲源總輻射功率與射流速度的關(guān)系式，它指出導(dǎo)致氣流噪聲的主要原因是湍流。Lighthill是一個(gè)含有聲源的波動(dòng)方程，它通過瑞利聲比擬理論得到了可以求解本來不封閉的Lighthill方程的方法，這個(gè)方法可以評估湍流場的遠(yuǎn)場噪聲級。Lighthill所提出的最重要假設(shè)是：流體動(dòng)力聲源(擬聲源)是預(yù)先知道的，然后得到流場解和聲場解，這個(gè)假設(shè)在實(shí)際問題中經(jīng)常采用，且取得良好的結(jié)果；因?yàn)槟Ｐ褪菍h(yuǎn)場噪聲的預(yù)測，所以把流場為聲波動(dòng)區(qū)域及聲源區(qū)。但是該種聲學(xué)模型忽略了近場區(qū)聲流耦合作用，從而不能夠表現(xiàn)出聲場與

18、流場之間的相互作用，流體中如何產(chǎn)生聲波能量并傳遞的等聲學(xué)問題。按傳統(tǒng)方法求解Lighthill方程過程較繁瑣，Tam采用伴隨方程法求解線性歐拉方程來進(jìn)行射流噪聲研究，其過程容易且物理意義明確，這為用伴隨方程法求解Lighthill方程提供了新思路。在對Ligththill方程研究后，Lilley通過實(shí)驗(yàn)研究對八次方定理的冪次方作出修改，即在低亞音速時(shí)為6次方，在高亞音速時(shí)為7.5次方，當(dāng)1Ma2時(shí)，如果忽略沖波影響，則仍為8次方。這個(gè)定律在很短時(shí)間內(nèi)就被人們所接受，并被用來判斷射流噪聲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。同時(shí)，Lilley在Liththill方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)量方程、質(zhì)量守恒方程和理想氣體狀態(tài)

19、方程，提出了一種新的聲比擬理論，考慮到了源對流、聲流相互作用對噪聲輻射指向性的影響。雖然Lilley聲比擬理論得到的結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確但是求解Lilley方程卻非常困難。因?yàn)樯淞靼l(fā)聲機(jī)理比較復(fù)雜，所以到現(xiàn)在為止還沒有任何一種流體噪聲理論取得完全的成功，湍流噪聲的一些問題至今仍無法被解決。雖然如此，到目前為止Lighthill聲比擬理論被廣為采用。在湍流噪聲理論方面，對氣動(dòng)聲學(xué)的研究要比水聲學(xué)早。所以國內(nèi)外關(guān)于水射流湍流噪聲理論的研究大都是基于氣動(dòng)聲學(xué)理論展開的并且通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了理論的可靠性。本文應(yīng)用氣動(dòng)聲學(xué)中的Lighthill和Lilley聲比擬理論來對水下噴嘴的射流噪聲進(jìn)行理論分析與研究1

20、.3課題研究思路本文研究的課題是基于射流噪聲的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上是通過對噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)組合以取得最大的射流噪聲，在噴嘴中最為典型的是收縮型噴嘴，但是由于人們對此研究的比較多因而很難再進(jìn)行深入的研究，所以在此選擇的噴管類型為風(fēng)琴管型，風(fēng)琴管的結(jié)構(gòu)較為簡單，主要分為前體、諧振腔和擴(kuò)散管三部分，一共涉及七個(gè)參數(shù)：前體入口長度L1，諧振腔長L2，諧振腔出口與擴(kuò)散管出口長度L3，前體入口直徑d1，諧振腔內(nèi)徑d2=2mm，擴(kuò)散管出口處直徑d3，出口處擴(kuò)散角，在本文中除了對風(fēng)琴管內(nèi)部進(jìn)行流場分析和聲場分還要對外流場和外聲場進(jìn)行數(shù)值模擬，所以在噴嘴的外部還應(yīng)該構(gòu)建出圓柱形的流場與聲場。由于國內(nèi)外關(guān)于

21、介質(zhì)為液體的射流噪聲的研究比較少，所在本文先借助氣動(dòng)聲學(xué)中的Lighthill聲比擬理論來分析以氣體為介質(zhì)的噴嘴射流噪聲的類型，產(chǎn)生的機(jī)理及其對此的影響因素，然后基于以上的理論分析再用Hypermesh對風(fēng)琴管噴嘴進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent對風(fēng)琴管噴嘴的內(nèi)外流場進(jìn)行速度，總壓以及湍流動(dòng)能的數(shù)值模擬及其分析，以判斷風(fēng)琴管噴嘴在原始參數(shù)的條件是否產(chǎn)生空化以及最容易產(chǎn)生空化的部位即對風(fēng)琴管噴嘴空化影響最大的參數(shù)，Actran對風(fēng)琴管噴嘴的內(nèi)外聲場進(jìn)行數(shù)值模擬以及分析以選出對射流噪聲影響最大的參數(shù)，然后綜合兩次數(shù)值模擬選取出四個(gè)參數(shù)：諧振腔長L2，諧振腔出口與擴(kuò)散管出口長度L3，諧振腔內(nèi)徑d2，口

22、處擴(kuò)散角，然后設(shè)置相應(yīng)的梯度使參數(shù)往上和往下各取一個(gè)數(shù)值。如果要做完全部實(shí)驗(yàn)則至需要81組實(shí)驗(yàn)，這顯然是不切實(shí)際的，應(yīng)該運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)理論對參數(shù)進(jìn)行分組，在此選擇四因素三水平正交表，最終確定了9組實(shí)驗(yàn)，與前面的數(shù)值模擬部分相似，運(yùn)用Hypermesh，F(xiàn)luent，Actran進(jìn)行分析，最終導(dǎo)出九組聲壓-頻率分布圖及其數(shù)據(jù)，利用Excel做出相應(yīng)的折線圖以及分別對九組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行聲壓平均值和方差的計(jì)算從而最終確定了最優(yōu)的參數(shù)組合。2 水射流噪聲理論分析因?yàn)樯淞髟肼暤陌l(fā)聲基礎(chǔ)是射流流場特征，所以研究水射流的流動(dòng)特性是研究水射流噪聲機(jī)理的前提條件。在粘性流體力學(xué)中，當(dāng)臨界值大于雷諾數(shù)時(shí)，慣性力的作用

23、小于粘性力的作用，在層流狀態(tài)時(shí)，很多可能的擾動(dòng)都會(huì)衰減，雷諾數(shù)的增大會(huì)使得慣性力的作用增大；如果雷諾數(shù)大于臨界值時(shí)，層流就會(huì)變成湍流，雷諾數(shù)就由流體的速度和運(yùn)動(dòng)粘度決定。水射流通過高壓水流流經(jīng)狹小的噴嘴對外噴射，流體速度非常大，一般都為湍流。因此水射流的特點(diǎn)和湍流運(yùn)動(dòng)即為相似，即射流中流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)脈動(dòng)的同時(shí)還不斷地在沿軸向運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)相應(yīng)的參數(shù)也會(huì)隨機(jī)而變化。湍流中包含著許多尺度不同的漩渦運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)脈動(dòng)就是由這些漩渦引起的。湍流運(yùn)動(dòng)中主要有兩種運(yùn)動(dòng):(1)小尺度的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，(2)大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)，也稱作擬序結(jié)構(gòu)，擬序結(jié)構(gòu)具有一定的規(guī)律性和重復(fù)性。水射流的噪聲主要為湍流噪聲和氣蝕噪聲兩種。

24、以氣動(dòng)聲學(xué)的湍流噪聲理論為基礎(chǔ)，可以對水射流湍流噪聲進(jìn)行更深入的分析研究，而在氣動(dòng)聲學(xué)中，Lighthill聲比擬理論是湍流噪聲理論的基礎(chǔ)。由于氣泡的發(fā)生，擴(kuò)張以及潰滅會(huì)引起氣蝕噪聲。普遍認(rèn)為氣蝕越嚴(yán)重，噪聲就越大。2.1 流體流動(dòng)基本方程2.1.1納維-斯托克斯方程納維-斯托克斯方程，簡稱 N-S 方程，是描述不可壓縮的牛頓流體運(yùn)動(dòng)的基本控制方程。一般認(rèn)為水是不可壓縮的牛頓流體。因此水射流湍流滿足N-S 方程。N-S 方程在直角坐標(biāo)系下可以表述為： （1） （2）式中:流體的密度運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)質(zhì)量力流體速度流體壓強(qiáng)N-S 方程既可以用要描述層流運(yùn)動(dòng)也可以用來描述湍流運(yùn)動(dòng)，層流與湍流的區(qū)別主要在

25、于方程的初始值問題。層流的解是唯一的，而高雷諾數(shù)的湍流是無窮逼近的不規(guī)則解。2.1.2 雷諾方程根據(jù)雷諾假定，湍流的相關(guān)物理量可用其系綜平均值和脈動(dòng)值之和表示，即 （3）將上述兩個(gè)式子代入到N-S方程中，就可得到水射流湍流流動(dòng)的控制方程:（1）時(shí)均流動(dòng)方程： （4） （5）（2）脈動(dòng)流動(dòng)方程： （6） （7）2.2水射流湍流噪聲由粘性流體流動(dòng)的N-S方程和流體力學(xué)的連續(xù)性方程可聯(lián)合推導(dǎo)出來Lighthill聲比擬理論。根據(jù)通過所有控制面凈流入的質(zhì)量流量就等于單位時(shí)間內(nèi)控制體中流體質(zhì)量的增量即質(zhì)量守恒定律，有： （8）由N-S方程： （9）式中：克羅內(nèi)克函數(shù)（i=j時(shí)，=1；ij時(shí)，=0）。粘滯

26、應(yīng)力張量；將式（9）代入式（8）即可得到： （10）方程的右邊是等效聲源，方程的左邊表示聲波在媒介中的傳播， 是單極子噪聲源，是由流量變化率引起的，這類聲源也包括了水射流中噴嘴進(jìn)口的壓力脈動(dòng)。屬于偶極子噪聲源，是由外部的作用力引起的。在穩(wěn)態(tài)噴射過程當(dāng)中，不存在外力作用，也沒有流量變化，式（8）就能夠?qū)懗?（11）式（11）表明噪聲的激發(fā)源之一就為流體介質(zhì)中變化的應(yīng)力，即為Lighthill方程。式中為Lighthill應(yīng)力張量，流體介質(zhì)中不穩(wěn)定的雷諾應(yīng)力是引起應(yīng)力張量的主要原因，其形式如下所示： （12）這表明水射流湍流噪聲源是一個(gè)四極子噪聲源。粘性和溫度對于水下射流場作用的影響較小， Lig

27、hthill應(yīng)力張量式在忽略這些因素的作用的情況下可作如下簡化： （13）代入式（11），有 （14）可以看出在噪聲源中由于射流中有流速梯度的區(qū)域存在于垂直于射流方向的平面內(nèi)，因而會(huì)被放大，較大，產(chǎn)生的發(fā)聲功率比較大；而若沒有速度梯度在射流的垂直方向的平面時(shí)，將不會(huì)有發(fā)聲功率產(chǎn)生。這些流速梯度較大的區(qū)域是射流的湍流噪聲主要產(chǎn)生區(qū)域。把噴射的流動(dòng)速度假設(shè)為，就可以在考慮方程中各項(xiàng)的正比例關(guān)系后得到湍流噪聲總功率的表達(dá)式為： （15）式中：聲音傳播速度；Lighthill系數(shù)； 噴嘴直徑； 流體的密度； 流體的流速； 聲傳播介質(zhì)密度； 著名的Lighthill 定律就是式（15）。此公式已經(jīng)通過大

28、量的試驗(yàn)證實(shí). 在不同情況下Lighthill常數(shù)有很大的差別，在一般情況下我們?nèi)∑淦骄禐椤６杀砻鲊娚淇讖降钠椒郊皣娚渌俣鹊?次方與噴射湍流噪聲總功率成正比，兩個(gè)主要因素噴射速度及噴嘴孔徑?jīng)Q定了注湍流噪聲總功率。噴口下游45倍直徑的區(qū)域是亞聲速狀態(tài)下噴流噪聲的能量在氣動(dòng)聲學(xué)中的主要來源，對占主導(dǎo)地位的四極子聲源，聲源初始聲壓根據(jù)Lighthill量綱分析方法可得到如下的計(jì)算式： （16）式中：馬赫數(shù)；聲源表面聲壓；比例常數(shù)，氣動(dòng)聲學(xué)中一般取0.0825；噴口當(dāng)量直徑；氣體密度；噴流速度；由聲壓級的計(jì)算公式： （17）式中：參考聲壓，一般認(rèn)為在水中的取值為110-6Pa，在空氣中取值為。 公

29、式（16）在氣動(dòng)學(xué)中噴流噪聲的預(yù)測計(jì)算得到了廣泛應(yīng)用，且試驗(yàn)值與計(jì)算值都有較高的吻合度，噴流噪聲的聲壓級可以利用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測，在指導(dǎo)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)具有非常深遠(yuǎn)的意義。2.3水射流氣蝕噪聲和氣體射流相比，水射流噪聲有氣蝕噪聲和湍流噪聲。在高速水射流中，如果飽和蒸汽壓力大于液體壓力時(shí)，不溶周圍的微小氣核液體就會(huì)蒸發(fā)汽化，這些微小氣核就會(huì)緩慢增大，從而液體中的氣體就會(huì)持續(xù)融入擴(kuò)大的氣核里，最后氣核逐漸形成空化泡，從而發(fā)生空化的現(xiàn)象。氣泡潰滅的過程會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲與振動(dòng)，所以氣蝕噪聲是水射流噪聲不可忽略的部分。氣蝕的產(chǎn)生與液體中氣核數(shù)量和大小相關(guān)，還和液體的飽和蒸汽壓力等參數(shù)相關(guān)。瞬時(shí)的氣泡產(chǎn)生由表面張力

30、、氣核大小和粘性效應(yīng)等較多因素決定。依照影響氣蝕初生條件，將氣蝕消失條件作為初生氣蝕數(shù)。經(jīng)典氣蝕數(shù)其定義如下： （20）式中：參考流體的壓力； 參考流體的速度； 液體汽化壓力。大量的實(shí)驗(yàn)探究證明在噴嘴過渡段最容易發(fā)生汽蝕，主要原因是流體通過噴嘴時(shí)，流體的壓強(qiáng)急劇減小，速度會(huì)迅速提高，氣蝕數(shù)迅速減小，很容易發(fā)生氣蝕。同時(shí)水流的流速在噴嘴過渡段將急劇收縮或轉(zhuǎn)向，因此氣蝕現(xiàn)象在噴嘴的過渡段就發(fā)生的更為頻繁。并且在高速射流和附近靜止的流體發(fā)生作用就會(huì)形成一個(gè)高剪切力的區(qū)域，容易產(chǎn)生渦旋，渦心處壓力很容易降低到液體的汽化壓力，也會(huì)導(dǎo)致氣蝕發(fā)生。高剪切流引起的氣蝕和噴嘴內(nèi)部的氣蝕會(huì)在流體中產(chǎn)生大量的氣泡，

31、大量的噪聲輻射伴隨著這些氣泡在生成，脹大，潰滅，消失的過程而產(chǎn)生，而且汽蝕程度越強(qiáng)，噪聲輻射也會(huì)越強(qiáng)。3噴嘴數(shù)值模擬3.1風(fēng)琴管噴嘴的物理模型噴嘴是水射流設(shè)備的重要元件，它最終形成了水射流工況，同時(shí)又制約著系統(tǒng)的各個(gè)部件。本課題選用風(fēng)琴管噴嘴，該噴嘴利用出口擴(kuò)散段形狀的改變，來加劇射流和周圍液體之間的剪切作用，從而提高噴嘴出口處的振動(dòng)噪聲。噴嘴的原始參數(shù)設(shè)置:入口長度L1=10mm，諧振腔長L2=3mm，其軸向長度L3=4mm，入口直徑d1=10mm，諧振腔內(nèi)徑d2=2mm，出口處直徑d3=10mm，出口處擴(kuò)散角=90，風(fēng)琴管噴嘴的CAD結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。在確定好風(fēng)琴管噴嘴CAD模型之后，應(yīng)

32、用軟件ProE構(gòu)建三維的風(fēng)琴管噴嘴模型與外部流場模型(圖2)和相應(yīng)的外部聲場模型(圖3)，其中外部流場模型直徑為30mm，長度為40mm，外部聲場模型直徑為40mm，長度為45mm。構(gòu)建外部流場模型的主要目的是便于后面能夠用Fluent進(jìn)行流場數(shù)值模擬，構(gòu)建外部流聲模型的目的是便于后面能夠用Actran進(jìn)行聲場數(shù)值模擬，應(yīng)當(dāng)注意的是：用Proe構(gòu)建模型時(shí)先選擇Front平面，在Front平面進(jìn)行草繪時(shí)對模型坐標(biāo)系的選擇應(yīng)該對應(yīng)，草繪風(fēng)琴管噴嘴與外部流場模型二維圖時(shí)PRT_CSYS_DEF為坐標(biāo)原點(diǎn)(圖4)，而在構(gòu)建外部聲場模型時(shí)在水平軸上選取的點(diǎn)距離原點(diǎn)為L1+L2+L3 =17mm(圖5),

33、這就能夠使得在導(dǎo)入Hypermesh的過程中外部流場模型的入口面與外部聲場的入口面在同一平面如圖6所示，其中綠色部分為導(dǎo)入的噴嘴和外部流場Proe模型，藍(lán)色部分為導(dǎo)入的外部聲場的Proe模型，這就為后面進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分以及進(jìn)行Fluent流場數(shù)值模擬和Actran聲場數(shù)值模擬做好準(zhǔn)備工作。圖1 風(fēng)琴管噴嘴的CAD模型圖2 風(fēng)琴管噴嘴與外部流場的Proe模型圖3 噴嘴的外部流場的Proe模型圖4 繪制風(fēng)琴管噴嘴的草繪界面圖5 外部流場的草繪界面圖6 導(dǎo)入Hypermesh的噴嘴，外部流場和外部聲場模型3.2風(fēng)琴管噴嘴的Hypermesh三維網(wǎng)格有限元模型Hypermesh與各種CAD軟件具有良好

34、的集成性，如UG，Pro/E 和CATIA等，支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型已有的有限元模型。同時(shí)還支持多種求解器接口，如ANSYS和Fluent的求解器，這樣在利用Hypermesh劃分好模型的有限元網(wǎng)格后，可以直接把計(jì)算模型轉(zhuǎn)化成不同的求解器文件格式，從而利用相應(yīng)的求解器進(jìn)行計(jì)算。圖7 經(jīng)過布爾運(yùn)算后的噴嘴模型在導(dǎo)入Hypermesh的風(fēng)琴管噴嘴ProE模型中，由于外部流場與外部聲場是重疊在一起的，應(yīng)首先應(yīng)用Hypermesh中的布爾運(yùn)算將兩者切分開，如圖7所示。其中顏色明亮的部分為外部流場，外部的環(huán)形圓柱為外部聲場，由于噴嘴模型的高度對稱性同時(shí)為了便于對噴嘴模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，截取噴

35、嘴模型的四分之一部分如圖8所示：圖8 四分之一的噴嘴模型對四分之一噴嘴進(jìn)行分塊處理，以便于能夠一段一段地進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分塊之后的噴嘴模型如圖9所示，其中4個(gè)黃色的扇形切面將四分之一的噴嘴切分成六個(gè)部分。圖9 已分塊的四分之一的噴嘴模型研究噴嘴內(nèi)部流場的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是對噴嘴流道進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，F(xiàn)luent流場模擬的質(zhì)量以及收斂的快慢與網(wǎng)格的質(zhì)量有著決定性關(guān)系。在本質(zhì)上，聲場控制方程與流體流動(dòng)控制方程是類似一致的，但是在水流流動(dòng)中射流噪聲的脈動(dòng)分量，聲功率占總機(jī)械功率的比例非常小，流體流動(dòng)能量與聲能量在數(shù)量上的巨大差異直接會(huì)導(dǎo)致預(yù)測噪聲出錯(cuò)。在誤差允許的范圍內(nèi)，要保證計(jì)算的精度必須嚴(yán)格布置聲波傳

36、播的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)。流體流動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算中所采用的網(wǎng)格類型主要有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩種。在理論上，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格網(wǎng)格區(qū)域里所有的內(nèi)部點(diǎn)附近的毗鄰單元都是相同的。這樣才可以比較簡單地實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，主要適用于表面應(yīng)力集中以及流體等方面的模擬，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成質(zhì)量好，網(wǎng)格生成的的速度快，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單，多數(shù)情況采用參數(shù)化或樣條插值的算法得到對空間以及曲面的擬合。因此，越是光滑的區(qū)域，網(wǎng)格就與模型更接近一致。但結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格只適用于形狀規(guī)則的圖形，適用的范圍比較窄，不能滿足大眾化的需求。21世紀(jì)以來，科學(xué)研究上需要對越來越復(fù)雜的求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因此，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)越來越難以滿足用戶的需求。

37、隨著近幾年的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的飛速發(fā)展。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格誕生了，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)部點(diǎn)的毗鄰單元可以不相同。從定義的內(nèi)容對比可知，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有相互交織重疊的成分，因此結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以出現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中。在Hypermeh中，如果一個(gè)幾何模型既可以生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，也可生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，那么就需要對兩種網(wǎng)格模型進(jìn)行選擇。在難易程度上，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的模擬結(jié)果比非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更容易收斂，有助于計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和加快運(yùn)算速度，計(jì)算結(jié)果也更為精確，但非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更容易生成；在精度上，選用哪種網(wǎng)格幾乎影響不大，因?yàn)橛?jì)算精度是由網(wǎng)格質(zhì)量決定的，與網(wǎng)格類型無關(guān)；結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格運(yùn)算算速度較非結(jié)構(gòu)化

38、網(wǎng)格要快得多，但是網(wǎng)格劃分難度也比較大。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成簡單，比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格運(yùn)算速度要慢一些。因此本文中對風(fēng)琴管形噴嘴的模擬計(jì)算網(wǎng)格采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格:正六面體網(wǎng)格(quads)。在具體對每一個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)注意選好網(wǎng)格尺寸及其設(shè)定好各邊界的網(wǎng)格數(shù)，具體說明如下：（1）四分之一的諧振腔網(wǎng)格劃分:在Geom-2D-automesh中選取一個(gè)平面，再將單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為0.3，用鼠標(biāo)適當(dāng)調(diào)整各個(gè)邊的網(wǎng)格數(shù)，盡量使網(wǎng)格分布均勻且大小相一致同時(shí)應(yīng)盡量避免三角形網(wǎng)格的出現(xiàn)；在Geom-3D-solidmap中選擇one volume，再將單元網(wǎng)格尺寸(element siz

39、e)設(shè)置為0.6；通過上述對諧振腔二維平面和三維立體網(wǎng)格的劃分，最終如圖10所示。圖10 已劃分網(wǎng)格的四分之一諧振腔（2）四分之一的噴嘴前體網(wǎng)格劃分: 二維平面單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為0.6，三維立體網(wǎng)格單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為0.8（3）四分之一的擴(kuò)散管網(wǎng)格劃分：二維平面單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為0.3，三維立體網(wǎng)格單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為0.6（4）四分之一的外部流場網(wǎng)格劃分：二維平面單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為1.0，三維立體網(wǎng)格單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為1.2（5

40、）四分之一的外部聲場網(wǎng)格劃分：二維平面單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為1.0，三維立體網(wǎng)格單元網(wǎng)格尺寸(element size)設(shè)置為1.2（6）四分之一的外部聲場底面網(wǎng)格劃分: 可由已劃分好網(wǎng)格的四分之一的外部聲場直接映射可得到。最終得到的四分之一的噴嘴三維網(wǎng)格圖如圖11所示。圖11 已劃分網(wǎng)格的四分之一噴嘴模型對上述已劃分網(wǎng)格的四分之一的噴嘴模型進(jìn)行還原并去掉不對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，最終得到的完整的噴嘴三維網(wǎng)格如圖12所示，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格總數(shù)目為40684。圖12 完整的噴嘴三維網(wǎng)格模型對噴嘴做完三維網(wǎng)格劃分之后還需要對噴嘴的不同部位的體和面進(jìn)行定義，主要為后面方便導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行流

41、場分析和導(dǎo)入Actran中進(jìn)行聲場分析具體定義的內(nèi)容為:fluid體(紅色)，progatation體(深灰色)，inlet面(黃色)，outlet面(綠色)，wall面(淺藍(lán)色)，wxym面(深藍(lán)色)，如圖13至圖18所示。圖13 定義的fluid體圖14 定義的progatation體 圖15 定義的inlet面 圖16 定義的wall面圖17 定義的outlet面圖18 定義的wxym面為了在后面的流場分析和聲場分析的計(jì)算的方便，在此對噴嘴模型長度單位進(jìn)行統(tǒng)一，全部轉(zhuǎn)化為米制單位。同時(shí)創(chuàng)建三個(gè)屬性并且定義為fluid，progatation，wxym，這一步主要是為后面的Actran聲場

42、分析做準(zhǔn)備。將inlet面，outlet面，wall面，fluid體以cas文件的導(dǎo)出，這就是Fluent的流場分析的源文件；將wxym面，progatation體，fluid體以bdf文件導(dǎo)出，這就是Actran聲場分析的源文件。3.3 Fluent流場計(jì)算中的邊界條件設(shè)置及其說明Fluent包括各種優(yōu)化物理模型，如計(jì)算流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)模型(包括自然對流、定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)，層流，湍流，不可壓縮和可壓縮流動(dòng)，周期流，旋轉(zhuǎn)流及時(shí)間相關(guān)流等)；輻射模型，相變模型，離散相變模型，多相流模型及化學(xué)組分輸運(yùn)和反應(yīng)流模型等，從而為數(shù)值模擬提供很大的方便。用Fluent讀取由Hypermesh導(dǎo)出的ca

43、s文件，對模型的具體參數(shù)設(shè)置如下：（1）選擇計(jì)算模型1）定義為非穩(wěn)定型(Unsteady)2）湍流模型選擇模型:由于噴嘴中的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流，還需要考慮湍流的控制方程。模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。它和標(biāo)準(zhǔn)模型很相似，但是有以下改進(jìn):模型在方程中加了一個(gè)條件，有效的改善了精度，考慮到了湍流漩渦，提高了在這方面的精度理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)解析公式，然而標(biāo)準(zhǔn)模型使用的是用戶提供的常數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)模型是一種高雷諾數(shù)的模型，理論提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性的解析公式。這些公式的作用取決于正確的對待近壁區(qū)域。這些特點(diǎn)使得模型比標(biāo)準(zhǔn)模型在更廣泛的流動(dòng)中有更高的可信度和精度。（2）定義流體的物理性質(zhì)

44、流動(dòng)介質(zhì)選擇自帶數(shù)據(jù)庫中的液體(water-liquid) （3）設(shè)置邊界條件1）設(shè)定計(jì)算模型的入口邊界條件為壓力入口(Pressure-inlet)，保持總壓(Gauge Total pressure)為16Mpa。2）設(shè)定計(jì)算模型的出口邊界條件為壓力出口(Pressure outlet)，壓力(Gauge pressure)為0.15Mpa。（4）求解方法的設(shè)置及其控制1）在初始化中選擇從入口處(inlet)進(jìn)行計(jì)算2）在殘差監(jiān)控圖設(shè)置中將所有殘差的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0.000000013）保存Fluent計(jì)算后的文件，便于導(dǎo)入Actran進(jìn)行聲場數(shù)值模擬，進(jìn)行如下設(shè)置：File-Write-

45、Autosave4）為了保證計(jì)算結(jié)果的精度，在迭代設(shè)置中將時(shí)間步長(time step size)設(shè)置為0.001，時(shí)間步數(shù)(number of step sizes)設(shè)置為100，每一個(gè)時(shí)間步最大的迭代次數(shù)(max iterations per time step)為10，好參數(shù)后開始迭代計(jì)算。3.4 Fluent數(shù)值模擬結(jié)果分析3.4.1 殘差圖分析殘差圖是是由Fluent流場分析中的迭代計(jì)算產(chǎn)生，在一般的情況下Fluent中默認(rèn)的殘差的收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.001，其含義是當(dāng)各個(gè)物理量(圖19中的continuity,x,y,z,k,epsilon六個(gè)物理量)的殘差值都降低于0.001時(shí)，就認(rèn)為

46、計(jì)算收斂。在本次數(shù)值模擬中為了提高計(jì)算結(jié)果的精度，將六個(gè)物理量的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為0.00000001，在設(shè)置好時(shí)間步長(time step size)，時(shí)間步最大的迭代次數(shù)(max iterations per time step)以及時(shí)間步數(shù)(number of step sizes)之后進(jìn)行迭代計(jì)算后產(chǎn)生的殘差圖如圖所示，由圖可以看出，在到達(dá)第500次迭代以前continuity呈下降趨勢，而在之后在0.00000001和0.000001之間保持平穩(wěn)，其他5個(gè)物理量在第700百次迭代之后才圍繞著continuity的變化曲線上下細(xì)微波動(dòng)，基本平穩(wěn)。由此可以看出6個(gè)物理量的收斂性良好，在Fl

47、uent中對入口壓力，出口壓力以及湍流模型的設(shè)置較為合理，其得到的計(jì)算結(jié)果也較為理想。圖19 Fluent計(jì)算的殘差圖3.4.2 壓力場分析由于是以大氣壓為基準(zhǔn)而取的壓力，綜合以下的總壓力分布云圖與軸線上的總壓力分布圖可以看出，風(fēng)琴管前體的壓強(qiáng)基本沒有變化，約為16.7Mpa，在諧振腔的入口處壓強(qiáng)達(dá)到最大值，最大壓力值約為18.7Mpa，在諧振腔內(nèi)靠近壁面處壓強(qiáng)較小約為0.89Mpa，在中間部分壓強(qiáng)約為12.8Mpa，而在諧振腔的出口處壓力急劇下降，而且隨著離諧振腔出口的距離越來越遠(yuǎn)，壓強(qiáng)逐漸降低，在外部流場可以看出，在軸線處壓強(qiáng)相對較大，而在兩邊界壓強(qiáng)最小，為-0.81Mpa，低于水的飽和蒸

48、汽壓力0.0023Mpa，由此可見噴嘴具備產(chǎn)生空化的條件，這就為后面的聲場數(shù)值模擬提供了理論基礎(chǔ)。圖20 流場總壓力分布云圖圖21 流場軸線上的總壓力分布圖3.4.3 速度場分析箭頭的方向代表著速度的方向，箭頭的濃密程度代表著此處流體速度的大小，綜合以下的2個(gè)速度矢量圖和軸線處的速度分布圖分析，在諧振腔的入口之前的噴嘴前體部分，速度箭頭分布較為稀疏，說明在這些地方的速度較小，而在進(jìn)入諧振腔時(shí)速度會(huì)急劇增大，諧振腔內(nèi)靠近壁面的部分箭頭呈黃色，速度在109m/s和118m/s之間，在諧振腔的內(nèi)側(cè)箭頭分布最為緊密，速度最大，約為168m/s，而在諧振腔出口處速度會(huì)急劇減小，在之后的流場部分速度減小較

49、為緩慢。由此可見，風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部流場和外部流場的速度分布很不均勻，從而說明流體的流動(dòng)很容易產(chǎn)生紊流，這也就為噴嘴空化的產(chǎn)生提供了有利條件。圖22流場局部(諧振腔)速度矢量分布云圖圖23 流場速度矢量分布云圖圖24 流場軸線上的速度分布圖3.5 Actran的聲場計(jì)算的邊界條件設(shè)置及說明聲學(xué)計(jì)算過程主要包括兩個(gè):聲源的提取，聲源插值。對導(dǎo)入Actran的bdf文件進(jìn)行如下設(shè)置的最終目的是為了導(dǎo)出icfd001.edat(聲源的提取)與導(dǎo)出actran001.edat(聲源插值)，由于聲源的提取是通過ICFD來實(shí)現(xiàn)的，因此先添加ICFD分析類型，再添加時(shí)域分析主鍵，輸入的文檔(input file

50、)為前面用Fluent對網(wǎng)格進(jìn)行流場計(jì)算生成的dat結(jié)構(gòu)文件和cas網(wǎng)格文件，將輸出的文件格式設(shè)置為nff格式，將經(jīng)過正交轉(zhuǎn)化和插值之后的輸出文件(output file)命名為time001.nff，這就是時(shí)域的聲源文件，然后將時(shí)域聲源文件插值到actran file聲學(xué)網(wǎng)格中，將Fluent中的數(shù)據(jù)經(jīng)過Lighthill聲比擬(compute Lighthill volume)進(jìn)行聲源提取。利用離散傅里葉轉(zhuǎn)換(DFT)將時(shí)域聲源文件轉(zhuǎn)化為頻域聲源文件，為了減少轉(zhuǎn)換過程中的信息泄露，設(shè)置漢寧窗(HANNING)，然后輸出icfd001.edat文件，此時(shí)就完成了對聲源的提取。在完成了對聲源的

51、提取之后，再來導(dǎo)入網(wǎng)格文件來進(jìn)行進(jìn)行聲設(shè)置傳播，用Actran讀取由Hypermesh導(dǎo)出的bdf網(wǎng)格文件，所得模型如圖25所示：圖25 由Actran讀取的噴嘴模型創(chuàng)建三個(gè)域名(fluid，progatation，wxym)，由于在之前的Hypermesh屬性設(shè)置中已經(jīng)重命名，定義之后的三個(gè)域名如圖26至圖28所示。圖26用于定義無限元的網(wǎng)格文件(wxym)圖27用于定義聲傳播的網(wǎng)格文件(progatation)圖28用于定義聲源的網(wǎng)格文件(fluid)定義場點(diǎn)(0.0395,0,0)，場點(diǎn)取在噴嘴的軸線上，根據(jù)噴嘴建模在Proe中取的坐標(biāo)系，選取的場點(diǎn)橫坐標(biāo)為：17mm+22.5mm(外部

52、聲場長度的一半)=39.5mm，如圖外部流場中間的紅點(diǎn)為場點(diǎn)。圖29 外部流場中的場點(diǎn)在選擇流動(dòng)介質(zhì)時(shí)應(yīng)選擇自帶數(shù)據(jù)庫中的液體；添加直接頻響分析(Direct Frequency Response)求解器，這種求解器基于物理坐標(biāo)系用于求解結(jié)構(gòu)或聲場的頻響，是研究絕大多數(shù)問題的分析類型;添加組件，把對應(yīng)的單元集合(聲源部分:有限元fluid體集合和聲傳播部分:有限元progatation體集合)附上材料(example_water)添加無限元組件，把對應(yīng)的單元集合(無限元部分:無限元wxym面集合)附上材料(example_water)，內(nèi)插階次(interpolation order)設(shè)置為5

53、，Axes(3 orthogonal vector)為wxym面的幾何中心坐標(biāo)(1,0,0,0,1,0,0,0,1)。在設(shè)置完成之后通過View Geometry檢測中心坐標(biāo)是否正確，如圖可看出沒問題。最后來設(shè)置邊界條件，先設(shè)置場文件(File Field Data)，場文件源自于freq.nff，由于是應(yīng)用Lighthill聲比擬理論對聲源進(jìn)行計(jì)算，所以應(yīng)選中聲源文件fluid，然后依次添加頻譜曲線輸出ress.plt文件，場點(diǎn)，計(jì)算域的云圖輸出Output Map和Mumps求解器，然后輸出actran001.edat文件，完成對聲傳播文件的提取。圖30定義好無限元面的球坐標(biāo)3.6 Act

54、ran數(shù)值模擬結(jié)果分析（1）在設(shè)置完之后通過對icfd001.edat文件與actran001.edat文件的計(jì)算，可得到以下的三維聲壓級分布云圖，時(shí)域云圖，頻域云圖，由圖可以看出:在噴嘴的進(jìn)口處聲音強(qiáng)度的分布較為均勻，而在諧振腔內(nèi)聲音強(qiáng)度顯著增大，在諧振腔的外側(cè)聲音強(qiáng)度又急劇減小，由此可見噴嘴得外部直徑與長度對聲音強(qiáng)度不大而諧振腔的尺寸大小也就是長度與直徑對聲音強(qiáng)度影響最大，這就為后面的噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了指導(dǎo)。圖31初始狀態(tài)的三維聲壓級分布云圖圖32初始狀態(tài)的時(shí)域云圖圖33初始狀態(tài)的頻域云圖(2)由以下的聲壓分布云圖可以看出:隨著頻率的增大，噴嘴的進(jìn)口處聲壓分布幾乎沒有變化，說明噴嘴的外直徑

55、與長度對噪聲的影響不大，而諧振腔的和擴(kuò)散管的聲壓變化比較明顯，除了得出與上述一致結(jié)論外還進(jìn)一步說明了擴(kuò)散管的直徑與角度也對聲壓分布有影響，由此為后面噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)指定了具體的四組參數(shù):諧振腔直徑，諧振腔長度，擴(kuò)散管直徑，擴(kuò)散管角度圖34頻率為10Hz的聲壓分布云圖圖35頻率為201Hz的聲壓分布云圖圖36頻率為402Hz的聲壓分布云圖圖37頻率為603Hz的聲壓分布云圖圖38頻率為804Hz的聲壓分布云圖圖39頻率為995Hz的聲壓分布云圖4 噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算4.1正交實(shí)驗(yàn)理論簡介在現(xiàn)代的科學(xué)研究中，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為不可或缺的一部分。實(shí)驗(yàn)經(jīng)常被用于比較理論結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的差別進(jìn)而對理論進(jìn)行修正或者對模型的優(yōu)化。其中合理地安排實(shí)驗(yàn)次數(shù)對于實(shí)際研究具有重大意義。因?yàn)樵趯?shí)際對目標(biāo)問題進(jìn)行分析時(shí)，往往要考慮多因素而非單因素。以本文研究的風(fēng)琴管的射流噪聲為例，風(fēng)琴管噴嘴的參數(shù)有7個(gè)，經(jīng)過上述軟件的數(shù)值模