Page 19 - 《应用声学》2022年第3期
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第 41 卷 第 3 期              宋晓等: 开孔结构流致噪声的数值模拟和机理分析                                           341


                 为了更深入地分析剪切层的流动特征,将该段                          3和监测点4的频谱,可以发现空腔峰值频率噪声沿
             时间内 6 个时刻点的瞬时涡量画在一起,如图 13 所                       深度方向逐渐增加,空腔底部的压力脉动最大。沿
             示。从图中可以看出,涡到达后缘时 (a、c、d、f)会出                      空腔深度方向的压力脉动变化规律符合开口空腔
             现一个压力降,其中 a和d、d和f两个压力降的时间                         深度方向 1 阶驻波模态特征,进一步说明这一速度
             约0.0055 s,对应的涡脱落频率180 Hz。观察一个周                    下深度方向的 1 阶驻波模态参与了耦合共振。总体
             期内 d、e、f 三个时刻剪切层的变化,可以发现 d 和 f                    来看,该工况下空腔内的压力脉动分布形式受驻波
             时刻的剪切层位置较e时刻高。一个周期内,剪切层                           模态和剪切层撞击两者共同影响,表现为空腔后缘
             主要沿腔体深度方向发生振荡,振荡过程中伴随涡                            区域和底部的压力脉动较大。
             的脱落和撞击。因此,可以认为深度方向的 1 阶驻
                                                                       140
             波模态主导了剪切层的振荡形式,剪切层将按声学                                                             ᄣ฾ག1
                                                                                                ᄣ฾ག2
             驻波的频率进行周期振荡,该工况下空腔内出现了                                    120                      ᄣ฾ག3
                                                                                                ᄣ฾ག4
             自激振荡和深度方向 1 阶驻波模态的耦合共振,出
                                                                      PSD/(dBSHz -1 )  80
             现了流声共振现象。                                                 100




                                                                        60

                                                                        40
                                                                                           1   2   3 4 5
                   (a) ௑҉a               (b) ௑҉b
                                                                                        f/kHz
                                                                          图 14  不同监测点的压力脉动
                                                                  Fig. 14 Fluctuating pressure spectra of monitor-
                                                                  ing points
                                                                   空腔内的近场噪声是流体非定常性的直接反
                   (c) ௑҉c               (d) ௑҉d
                                                               映,而远场噪声更多地体现声传播和辐射特性。
                                                               图 15为某时刻空腔中间截面的瞬时压力场,可以定
                                                               性地分析空腔的噪声辐射特性。从图中可以看出,
                                                               流声共振发生时,空腔内的扰动主要由空腔后缘向

                                                               上游传播,其中扰动的主导波长约 1.7 m,则主导频
                   (e) ௑҉e               (f) ௑҉f
                                                               率在180 Hz左右。此外,受流场影响,辐射场表现出
               Ω/s -1  2500  3500  4500  5500  6500  7500      很强的多普勒效应。空腔远场声压级可以通过求解
                         图 13  空腔内瞬时涡量图                        FW-H 方程获得      [16] 。在空腔正上方的半圆上均匀
                   Fig. 13 Instantaneous vorticity of cavity   布置 19个噪声观测点,各个监测点距腔口中心距离
                 图 14 为典型监测点处压力脉动的功率谱密度,                       为 20倍空腔直径,其中 0 为下游方向,180 为上游
                                                                                     ◦
                                                                                                     ◦
             其中频谱分析的样本长度为 2500,对应的频率分辨                         方向。图16为19个测点的远场声压级指向性图。从
             率为20 Hz,对4段样本数据进行频谱分析后做线性                         图中可以看出,远场噪声有一定的指向性,0 ∼ 90                    ◦
                                                                                                      ◦
             平均。从图中可以看出,整个空腔内以纯音噪声主                            范围内,总声压级基本一致,90 ∼ 180 范围内,随
                                                                                                  ◦
                                                                                           ◦
             导,4 个监测点的峰值频率基本一致,为180 Hz。剪                       着角度增加逐渐增加。总体来看,上游噪声水平大
             切层内的监测点出现了高次谐波,产生这种现象的                            于下游噪声水平,这与图13中近场瞬时压力的表现
             原因可能在于剪切层振荡波的非线性饱和。剪切层                            一致。图 17 对比分析了上游和下游方向两个测点
             内监测点2的压力脉动峰值大于监测点1,这与时域                           处的噪声,对应 140 和 40 方向角。从图中可以看
                                                                                ◦
                                                                                      ◦
             分析一致,原因在于该区域为涡与后壁的撞击区域,                           出,远场噪声频谱与空腔内的压力脉动频谱特征相
             振荡较为剧烈。对比空腔深度方向监测点1、监测点                           似,主导频率值与近场压力脉动吻合。上游测点的
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