Page 83 - 《应该声学》2022年第2期

第 41 卷 第 2 期 李宁等： T 型三通水管路噪声特性数值研究 251

本文以文献 [10] 中的 T 型三通管路为研究对
0 引言 象，进一步研究其振动噪声特性，计算T型三通管路

的模态，开展厚度、流速对 T 型三通管管口的噪声
船舶运行产生的振动噪声中，机械噪声占据着
影响分析，获得流噪声和流激振动噪声的内在关系，
重要的位置。当主(辅) 机等大型设备的机械噪声得
为水管路附件的降噪设计提供了技术参考。
到有效控制后，此时管路系统噪声对船舶总噪声的
贡献便显得尤为突出 [1] 。船舶上大多数机械设备都 1 基本理论
通过各种油、水管路与船体结构相连，这给管路噪
声的控制增添了难度；同时管路振动还会导致设备 1.1 LES模型
疲劳甚至断裂损坏 [2−3] 。一直以来，国内外学者们 LES 模型在满足流体连续性方程、动量方程基
充分关注充液管路振动及流噪声的研究，但对水管 本方程的基础上，对湍流变量进行滤波，得到滤波函
路附件的流激振动噪声特性研究较少。目前，对充 数。经滤波后，得到的连续方程和动量方程分别为
液管路振动及噪声特性的主要研究方法有实验方 ∂¯u i /∂x i = 0, (1)
法以及数值仿真。Pittard 等 [4] 对完全发展的湍流 2
∂¯u i ∂¯u i ¯u j 1 ∂¯p ∂ ¯u i ∂τ ij (2)
管路进行振动实验，结果表明管道振动的加速度与 ∂t + = − + v ∂x 2 − ,
ρ ∂x i
∂x j
j ∂x j
流量之间存在一定的关系。Etim [5] 研究管路内部
式 (2) 中：τ ij = ¯u i ¯u j − u i u j 为亚格子应力， 在
流体流动对管道固有频率的影响，并将理论结果与
Smagorinsky模型中亚格子应力表达式为
实验结果进行比较。国内柯兵 [6] 对管路弯头的流 1 √
¯
致振动影响因素进行实验分析。宋佳朋 [7] 对通海 τ ij − δ ij τ kk = 2 (C S ∆) 2 2S ij S ij S ij . (3)
3
管路管口辐射噪声实验研究。吴石等 [8] 采用小室 将式 (3) 代入式 (2) 后，可通过 LES 模型获取
测量方法测量充液管路流噪声，给出了流噪声的测 完整流场信息。LES 模型是一种解决大尺度波动
量结果的影响因素。Zhang等 [9] 对弯管出口的噪声 运动的方法，并且采用亚格子应力模式对小尺度
进行实验研究，发现弯头的振动特性及 FW-H 声类 湍流运动进行模拟。考虑到直接数值模拟 (Direct
比理论计算流噪声中的缺陷导致的数值仿真结果 numerical simulation, DNS) 会消耗大量的计算时
会略高于实验值。目前由于流噪声的测量还存在 间，本文利用 LES 模型模拟湍流流动对充液管路的
较多问题，对充液管路的实验研究主要集中在管路 流动问题进行计算分析。
振动上，故基于大涡模拟 (Large eddy simulation,
1.2 Lighthill声类比
LES) 与 Lighthill 声类比理论相结合的混合计算法
通过对源于 N-S 方程的连续性方程及动量方
得到广泛采用。Tan 等 [10] 采用 LES 联合特征分裂
程进行简化，获取Lighthill基本方程：
(Characteristic-based split scheme, CBS)法研究圆
∂ ρ ∂T ij
2 ′
形截面 90 弯管湍流流场。Zhang 等 [11] 以混合计 − c ∇ ρ = , (4)
2
2 ′
◦
∂t 2 0 ∂x i ∂x j
算法 [12] 研究导流叶片对弯头的降噪效果。赵威
式 (4) 中，T ij 为 Lighthill 应 力 张 量， 其 中 T ij =
等 [13] 对变截面管道流噪声进行计算。张咏鸥等 [14]
2
ρu i u j − τ ij + δ ij (p − c ρ)。Lighthill 声学类比理
基于计算流体力学 (Computational Fluid Dynam- 0
论将流场与声场联系起来，基于前期获取的流场信
ics, CFD) 联合边界元 (Boundary element method,
息求解声场。
BEM) 的方法计算类阀空腔模型的流噪声，并证明
利用该方法计算流噪声的可靠性。Mori 等 [15] 采用 1.3 声-固耦合方程
该方法对 T 型截面管道在风机激励下的噪声特性 为了求解声 -固耦合模型，必须同时求解与声
进行分析。魏志 [16] 、方超等 [17−18] 发现管路附件的 场和结构相关的方程。通过考虑结构与声场的相互
流激振动噪声远小于流噪声。 影响，声固耦合方程为
             
U
U
M s 0  ¨  C s 0  ˙  K s R  U   F s 
  +   +   = , (5)
P
P
 ¨   ˙   P   0 
ρ f R M f 0 C f 0 K f