Page 19 - 《应用声学》2022年第3期

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
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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 ◦
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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
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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
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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