Page 53 - 《应用声学》2025年第2期
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第 44 卷 第 2 期           杨雨等： 微通道内声传播格子 Boltzmann 建模及其特性研究                                    313


                 and convex solid block on the microchannel, and the changes in sound waves after passing through the rough
                 microchannel were studied. The effect of the length of the solid block on sound propagation was analyzed, and
                 the sound pressure drop of the sound wave passing through the two solid blocks was compared. The research
                 results demonstrate that LBM can effectively describe the propagation process of sound waves in the channel
                 at the microscopic scale, describe the distribution of the sound field from the perspective of fluid mechanics,
                 and provide a reference for the application of simulation calculations in fields related to acoustic-fluid-structure
                 coupling.
                 Keywords: Lattice Boltzmann method; Microchannels; Acoustic propagation; Multiple relaxation model

                                                               来描述粒子的动力学统计信息，求解流体宏观变量，
             0 引言
                                                               既保留了宏观方法不关心单个粒子运动细节的特
                                                               点，又具有微观方法先验假设少的优势，能够适用
                 工业科技的高速发展带来了繁荣进步，但同时
                                                               于多尺度和多物理场等复杂问题的求解。作为一种
             也产生了越来越多的噪声，这对人体健康和居民生
                                                               离散求解Boltzmann方程的特殊方法，LBM在处理
             产生活构成了危害。为减低噪声对四周环境和人类
                                                               复杂边界方面具有很好的时空灵活性，程序实现简
             的影响，主要采用隔声和吸声进行噪声控制。吸声
                                                               单且具有天然并行性           [9] 。LBM 反映出来的是一个
             就是指声能衰减的过程，常用的吸声材料主要是多
                                                               非稳态的过程，可应用于求解波动问题，这意味着
             孔吸声材料，如玻璃棉、矿棉、膨胀珍珠岩、穿孔吸声
                                                               LBM适合研究声学领域中的各种非线性物理过程。
             板等。吸声性能通常与吸声材料有关，由于吸声材
             料本身具有多孔的特性，当声波到达材料表面时，大                               有关声传播的 LBM 数值模拟研究开始于 1998
             部分声波进入材料内部密密麻麻的微通道结构，在                            年，Buick 等  [10]  使用 D2Q7 的格子 Boltzmann 模型
             微通道内形成了散射，这种散射进一步消耗了声波                            来模拟密度变化比平均密度小的情况下的无黏性
             的能量，使其急速衰减          [1−2] 。因此，含有大量微通道             声波衰减。随后，学者们开展了大量有关 LBM模拟
             的吸声材料在抑制噪声污染方面发挥了不可替代                             声传播、声衰减等声学基本问题的研究                    [11−14] ，同
             的作用，被广泛地应用到建筑业、交通业和现代工                            时考虑了 LBM 的模型、边界条件以及物理参数对
             业等领域。                                             声传播的影响。例如，Lallemand 等           [15]  提出了基于
                 声波本质上是一种压力波或密度波，可通过介                          多松弛时间 (Multiple relaxation time, MRT) 模型
             质的可压缩性进行传播，其能量在传播过程中受流                            的格子 Boltzmann(LB) 格式的波传播特性，可用于
             体介质黏性耗散而部分转化为介质宏观的迁移动                             弱可压缩声学问题。Hasert 等           [1−6]  采用了 Navier-
             能，另一部分转变成热能，从而导致声能的损耗。不                           Stokes方法中基于特征的无反射边界条件验证了多
             同结构的纳米量级微通道可以帮助声波迅速衰减，                            孔介质中气动声学的LBM，同时解决了声波反射的
             从而达到吸声的效果。大量研究表明微通道的结                             问题。王勇      [17] 、周天  [18]  分析了波长、黏度、密度扰
             构对声传播过程起着重要作用，例如花瓣形粗糙微                            动等参数对一维平面声波衰减的影响。然而上述对
             通道的声传播过程         [3] 、不同孔径微通道的声传播过                于 LBM 模拟声传播的研究没有涉及到复杂的有界
             程  [4]  等。因此，微通道中的声传播特性一直是吸声                      区域，而有界区域对声波的传播的影响是不容忽视
             降噪领域的研究重点。随着对吸声材料应用的不断                            的。例如，Ji等      [19]  对孔板中声传播进行了二维数值
             探索，对微通道中声传播理论和技术的需求也日益                            研究，发现声波的传播特征受到孔板的板厚影响。
             增加。为提升吸声材料的性能，学者们在优化和设                            进一步研究了不同形状孔口对声传播的影响，结果
             计吸声材料结构方面做了大量贡献                 [5−7] 。然而，由       表明方形壁面比圆形壁面具有更大的阻尼效应                      [20] 。
             于微通道尺寸小且表面复杂，微通道中的声传播特                            而后，关栋等      [21]  采用LBM对介观尺度下微通道中
             性需要适合的数值模拟工具来进行研究。                                的声传播进行了建模，证明了单个固壁的微通道数
                 基于介观层面的格子 Boltzmann 方法 (Lattice               量、通道大小等物理参数会影响声压幅值的变化。
             Boltzmann method, LBM)   [8]  在宏观上是离散的，           在应用吸声的工程实践中，理解有界区域的性质与
             在微观上是连续的，将流体视为介于微观和宏观的                            声传播的作用机制显得十分必要，特别是微通道结
             介观粒子构成的离散系统。同时采用粒子分布函数                            构对声传播的影响。现有的研究过多关注单层微
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