一种钝体流动噪声被动抑制系统及远场辐射噪声评估方法

本发明涉及流体力学领域，特别是涉及一种钝体流动噪声被动抑制系统及远场辐射噪声评估方法。

背景技术：

1、钝体绕流是自然界和工程界最常见的流动现象之一，大到桥梁底座、烟囱管道、高楼、飞机起落架等，小至主板上的芯片、核反应燃料棒、管状热交换器等，都可以简化为钝体绕流问题。在过去半个世纪间，钝体绕流得到了研究者广泛的关注，无论从数值仿真角度还是实验观测的角度。钝体绕流的典型特征是垂直于来流的钝体上下表面会周期性地产生交替脱落的冯卡门涡街，进而导致升力系数和阻力系数随时间的周期性摆动，在远场形成偶极子性的噪声辐射特征，称为钝体绕流诱导噪声现象，钝体流动的噪声谱中通常表现为能量集中的单频纯音谱峰，这与钝体尾迹区的冯卡门涡街密切相关。

2、为了抑制钝体绕流中的单频噪声辐射，学界发展了很多通过抑制或延缓柱体涡脱落的主被动方式。基于是否需要额外的能量输入，现有流动控制方式主要分为两类：主动控制策略和被动控制策略。主动控制策略有合成射流、等离子激励射流和振荡射流等。与主动控制方案相比，被动控制不需要额外的能量注入，非常方便实施。被动控制方案包含：尾迹安装分离隔板、沟槽表面、粗糙表面、覆盖螺旋线、覆盖多孔涂层、放置涡流发生器等方式。在这些被动控制方式中，钝体尾部放置分离隔板可以有效抑制涡脱落的周期，是研究较为成功的一类被动方案。但是有研究者指出降噪效果随着隔板的长度并非单调变化，当隔板与钝体直径的比值小于1时，处于降噪区间，当隔板与钝体直径大于1时，呈现增噪结果。也有研究者指出以柔性隔板代替刚性隔板，可进一步优化降噪效果。但是，无论采用刚性板还是柔性板，板的长度只有与柱体直径相当时，才具有最佳降噪效果，而安装分离隔板必然使得附加质量和体积过大，安装加工费时费力。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种钝体流动噪声被动抑制系统及远场辐射噪声评估方法解决了传统的基于圆柱尾部安装分离隔板的钝体噪声抑制被动方式附加的质量和体积过大，安装加工费时费力，且影响原有流动特征程度大的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种钝体流动噪声被动抑制系统，包括主柱体和成对出现的微小柱体；

3、所述微小柱体以水平轴对称放置在所述主柱体的钝体尾迹区。

4、进一步地：所述主柱体和成对出现的微小柱体之间的具有最大降噪量的参数组合为：

5、lopt＝d

6、hopt＝0.706d

7、dopt＝0.1d

8、其中，lopt表示最大降噪量时微小柱体与主柱体底部之间的距离，d表示主柱体的直径，hopt表示最大降噪量时两个微小柱体之间的垂直距离，dopt表示最大降噪量时微小柱体的直径。

9、进一步地：获得具有最大降噪量的参数组合的方法包括以下步骤：

10、a1、通过试算法进行参数组合的样本算例模拟，获取各个参数组合(l,h,d)的远场噪声压力脉动p′；

11、其中，l表示微小柱体与主柱体底部之间的距离，h表示两个微小柱体之间的垂直距离，d表示微小柱体的直径；

12、a2、通过各个参数组合的远场噪声压力脉动p′，提取各个参数组合(l,h,d)的压力脉动的幅值p′amplitude；

13、a3、通过matlab绘制p′amplitude与自变量(l,h,d)的函数关系；

14、该函数关系表现为三维曲面p′amplitude＝f(l,h,d)，函数f对几何参数l,h和d的梯度分别表征了噪声强度对几何参数扰动的敏感度；

15、a4、在函数关系中通过matlab中的最优化方法搜索极小值的位置，得到(lopt,hopt,dopt)＝minf，得到具有最大降噪量的参数组合lopt、hopt和dopt。

16、本发明还提出了一种远场辐射噪声评估方法，包括以下步骤：

17、s1、对钝体流动噪声被动抑制系统进行几何模型构建；

18、s2、对构建好的几何模型进行网格划分，得到流动模拟的网格文件；

19、s3、基于高精度数值模拟，获取流动模拟的网格文件的非定常流场和声场；

20、s4、对流动模拟的网格文件的非定常流场和声场进行时均场分析、脉动场分析和测点脉动压力频谱分析；

21、s5、根据步骤s4的分析结果，获取噪声量级、频率及发声原因，并根据噪声量级、频率及发声原因评估噪声水平。

22、进一步地：所述步骤s2中得到流动模拟的网格文件的方法为：设置包裹构建好的几何模型的计算域，在计算域内采用软件生成高质量的贴体结构化网格，作为流动模拟的网格文件。

23、进一步地：获取流动模拟的网格文件的非定常流场和声场的方法为：基于高精度数值模拟方法求解流动模拟的网格文件的非定常的流动控制方程，得到结构化网格所有离散节点上的瞬时流动物理量信息，作为非定常流场和声场；

24、所述结构化网格所有离散节点上的瞬时流动物理量信息包括密度r、压力p、温度t和速度(u,v,w)。

25、本发明的有益效果为：

26、1.提出一种更加简单的从未被提及过的钝体噪声抑制被动策略，装置简单，附加质量和体积几乎可以忽略，安装加工省时省力；

27、2.与干净柱体的流动噪声相比，能够将单频纯音噪声降低约50％；

28、3.与传统的基于圆柱尾部安装分离隔板的方式相比，本发明的降噪效果更优；

29、4.本发明方法对柱体本身涡脱落的特征频率影响较小，在尽可能不影响原有流动特征前提下，能够实现最大幅度的噪声抑制。

技术特征：

1.一种钝体流动噪声被动抑制系统，其特征在于，包括主柱体(1)和成对出现的微小柱体(2)；

2.根据权利要求1所述的钝体流动噪声被动抑制系统，其特征在于，所述主柱体(1)和成对出现的微小柱体(2)之间的具有最大降噪量的参数组合为：

3.根据权利要求2所述的钝体流动噪声被动抑制系统，其特征在于，获得具有最大降噪量的参数组合的方法包括以下步骤：

4.基于权利要求1～3任一权利要求所述的钝体流动噪声被动抑制系统的一种远场辐射噪声评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的钝体流动噪声被动抑制系统，其特征在于，所述步骤s2中得到流动模拟的网格文件的方法为：设置包裹构建好的几何模型的计算域，在计算域内采用软件生成高质量的贴体结构化网格，作为流动模拟的网格文件。

6.根据权利要求4所述的钝体流动噪声被动抑制系统，其特征在于，所述步骤s3中，获取流动模拟的网格文件的非定常流场和声场的方法为：基于高精度数值模拟方法求解流动模拟的网格文件的非定常的流动控制方程，得到结构化网格所有离散节点上的瞬时流动物理量信息，作为非定常流场和声场；

技术总结本发明公开了一种钝体流动噪声被动抑制系统及远场辐射噪声评估方法，其钝体流动噪声被动抑制系统包括主柱体和成对出现的微小柱体；成对出现的微小柱体以水平轴对称放置在主柱体的钝体尾迹区，本发明通过在钝体尾迹区内放置微小柱体的方式实现钝体流动噪声降低。相比常见的在钝体底部放置分离隔板的被动控制方式，本发明具有最低的生产制造成本和安装代价，以及更优的降噪效果。技术研发人员：廖飞,靳瑶,王丹迪受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/3/31