基于大涡模拟和声比拟的喷射流噪声时域预测方法

    但佳壁 郑四发 刘海涛 连小珉

    

    

    

    摘要： 结合大涡模拟（LES）湍流模型和声比拟（AA）方法，对排气喷射流噪声进行了全尺寸三维仿真研究，该方法兼顾了计算量与求解精度的需求，弥补了二维仿真模型在非均匀流场描述能力上的不足，并通过试验验证了仿真结果的正确性。排气喷射流噪声以低频噪声为主，其声场具有较为明显的空间指向性，形态与喷射流场相吻合，越靠近势核和湍流混合区域，噪声越强。排气尾管的管口形式对流噪声具有明显的影响，相同流速下，由于扩张管式尾管的尾流沿径向扩散，使得其管口附近的流噪声要高于普通直管3～5 dB。关键词： 声辐射； 喷射流； 流噪声； 大涡模拟； 声比拟

    中图分类号： O422.6文献标志码： A文章编号： 1004-4523（2016）03-0504-07

    DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.017

    引言

    排气噪声是汽车噪声的重要来源之一，其组成包括空气噪声、辐射噪声和气流噪声等[1]。研究表明汽车进排气噪声对车外通过噪声的贡献率达20%以上[2]，特别是汽车在高速、大负荷运行时，排气噪声的贡献率大大增加，主要以气流噪声为主，且再生流噪声使得排气系统的消声性能大为削弱。因此，了解排气喷流噪声的特点和机理，研究适合的噪声预测方法和手段，对于汽车排气系统的正向匹配设计具有积极意义。

    排气喷流噪声是气体高速流动时所产生的气动噪声，其产生机理较为复杂，由于排气系统内外流场具有高温、高流速、非稳态、非均匀的特点，准确测量识别流噪声以及数值计算都面临诸多困难。国内外的诸多学者用试验测量手段和仿真技术等对喷流噪声问题进行了大量的研究，研究领域多见于航空发动机和汽车排气系统。Roeck等[3]提出了用于气流管道内部的两端测量技术，研究分析了管道及简单膨胀腔内气流噪声的性质；Wiemeler等[4]和Kunz等[5]通过试验方法总结出排气温度、排气流量等参数对汽车排气流噪声的影响，并指出汽车排气系统流噪声主要由尾管内的气流马赫数决定，可以通过排气质量流速率和排气温度预测流噪声水平。Rona等[6]运用TRANS（TimeDependent Reynolds Averaged NavierStoke）方法，使用轴对称二维有限元模型，预测了2倍音速的航空发动机喷射噪声；刘友宏等[7]采用二维kε湍流模型与FWH方程，研究V型尾缘喷口的远场辐射噪声及是其指向性；潘普生等[8]运用kε湍流模型对低马赫数下直管喷流的流场进行了研究，并应用Lighthill方法预测了流噪声的大小及其指向性；吴堃等[9]采用二维大涡模拟（LES，Large Eddy Simulation）模型再现了低流速下直管喷射过程中流场非稳态演化的过程，并以FWH方程求解了远场噪声；郝宗睿等[10]应用FWH方程计算了圆形、矩形、椭圆形、三角形等多种截面形状喷口的喷流噪声。

    喷射流噪声预测仿真研究受限于计算模型和规模，多见于二维及轴对称模型，但这与非定常非均匀的流场存在一定差异。尤其对于气动噪声空间传播问题，利用二维仿真模型计算噪声，需要估计声源深度（将二维模型沿另一维度延拓的长度），不同的声源深度估计值会得到不同的仿真结果，这给计算带来了不确定性，全尺寸三维模型则可保证声学仿真模型与实际情况完全一致。另外，Rubio等[11]在应用二维模型研究简单膨胀腔的气动音调噪声（窄频带）产生机理后指出，针对宽频带的气动噪声，需要获取流场中更详细的湍流信息，应该使用三维模型仿真。

    本文应用大涡模拟（LES， Large Eddy Simulation）和声比拟（AA，Acoustic Analogy）方法，研究排气系统三维喷射流场的喷流噪声与排气气体流速的关系，以及喷流噪声的空间指向性等，并分析了两种常见的排气尾管形式的流噪声特点，最后通过试验方法进行了验证。本方法兼顾了计算量与求解精度，弥补了二维仿真模型在非均匀流场描述能力上的不足。

    4结论

    （1）建立了LES和AA相结合的排气喷射流噪声预测方法。仿真结果表明，喷射流噪声以低频为主，并通过试验验证了其正确性。

    （2）研究分析了直管和扩张管两种尾管的喷射流噪声。仿真和试验均表明，相同流速条件下，扩展管式尾管喷口附近的喷射流噪声要高于普通直管3～5 dB。

    （3）普通直管和开口管的排气喷射流噪声的声场具有明显的空间指向性，与喷射流场形态一致，越靠近下游喷流势核与湍流混合区的部位，喷流噪声越强。

    参考文献：

    [1]庞剑，何华. 汽车噪声与振动：理论与应用[M]. 北京：北京理工大学出版社， 2006.

    Pang Jian，He Hua. Automotive Noise and Vibration[M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press， 2006.

    [2]郝鹏，郑四发，连小珉. 运动噪声源的时域传递路径模型及贡献率分析[J]. 机械工程学报. 2012， 48（8）：104—109.

    Hao Peng，Zheng Sifa，Lian Xiaomin. Timedomain Transfer Path Modal and Contribution Analysis of Moving Noise Sources[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING. 2012， 48（8）：104—109.

    [3]De Roeck W， Desmet W. Experimental acoustic identification of flow noise sources in expansion chambers[C]. International Conference on Noise and Vibration Engineering， 2008.

    [4]Wiemeler D， Jauer A， Brand J. Flow noise level prediction methods of exhaust system tailpipe noise[J]. SAE， 2008. doi：10.4271/2008010404.

    [5]Kunz F， Garcia P. Simulation and measurement of hot exhaust gas flow noise with a cold air flow bench[J]. SAE， 1995. doi：950546.

    [6]Rona A， Zhang X. Time accurate numerical study of turbulent supersonic jets[J]. Journal of Sound and Vibration，2004， 270：297321. doi：10.1016/s0022460x（03）005376.

    [7]刘友宏，胡勤，谢翌. 基于FWH方程的V型尾缘喷口气动声学数值模拟[J]. 科学技术与工程， 2010， 10（35）：8741—8746.

    Liu Youhong，Hu Qin，Xie Yi. Aerodynamic and acoustic predictions from chevron nozzles using FWH simulation[J]. Science Technology and Engineering， 2010， 10（35）：8741—8746.

    [8]潘甫生，邓兆祥，赵海军，等. 低马赫数射流噪声的数值计算研究[J]. 内燃机工程， 2009， 30（2）：34—38.

    Pan Fusheng，Deng Zhaoxiang，Zhao Haijun，et al. Study on numerical calculation method of jet noise at low mach number[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2009， 30（2）：34—38.

    [9]吴堃，梁雷欣，黄亮亮，等. 蒸汽喷射器射流噪声的数值模拟[J]. 建筑热能通风空调， 2010， 29（2）：41—44.

    Wu Kun，Liang Leixin，Huang Liangliang，et al. Numeric al simulat ion of aerodynamic noise for the steam jet of ejector[J]. Building Energy & Environment， 2010， 29（2）：41—44.

    [10]郝宗睿，王乐勤，周忠海. 喷射流场及其辐射声场数值模拟[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2012， 33（8）：966—971.

    Hao Zongrui，Wang Leqin，Zhou Zhonghai. Numerical simulation of jet flow field and its radiated sound field[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2012， 33（8）：966—971.

    [11]Rubio G， De Roeck W， Desmet W， et al. Large eddy simulation for computation of aeroacoustic sources in 2Dexpansion chambers[C]. Poitiers， FRANCE：6th International ERCOFTAC Workshop on Direct and LargeEddy Simulation， 2006.

    [12]倪玲英. 工程流体力学[M]. 东营：中国石油大学出版社， 2012.

    Ni Lingying. Engineering Fluid Mechanics[M]. Dongying：China University of Petroleum Press， 2012.

    [13]Lighthill M J. On sound generated aerodynamically. I. general theory[J]. Proceedings of the Royal Society of London， Series A. Mathematical and Physical Sciences. 1952， 211：564587. doi：10.1098/rspa.1952.0060.

    [14]Lighthill M J. On sound generated aerodynamically. II. Turbulence as a source of sound[J]. Proceedings of the Royal Society of London， Series A. Mathematical and Physical Sciences. 1954， 222（1148）：132. doi：10.1098/rspa.1954.0049.

    [15]Deardorff J W. A numerical study of threedimensional turbulent channel flow at large Reynolds numbers[J]. Journal of Fluid Mechanics. 1970， 41（02）：453. doi：10.1017/S0022112070000691.

    [16]Leonard A. Energy cascade in largeeddy simulations of turbulent fluid flows[C]. Virginia：Turbulent Diffusion in Environmental Pollution， 1975. doi：10.1016/S00652687（08）604641.