基于大渦模擬和聲比擬的噴射流噪聲時域預測方法

但佳壁 鄭四發 劉海濤 連小珉

摘要： 結合大渦模擬（LES）湍流模型和聲比擬（AA）方法，對排氣噴射流噪聲進行了全尺寸三維仿真研究，該方法兼顧了計算量與求解精度的需求，彌補了二維仿真模型在非均勻流場描述能力上的不足，并通過試驗驗證了仿真結果的正確性。排氣噴射流噪聲以低頻噪聲為主，其聲場具有較為明顯的空間指向性，形態與噴射流場相吻合，越靠近勢核和湍流混合區域，噪聲越強。排氣尾管的管口形式對流噪聲具有明顯的影響，相同流速下，由于擴張管式尾管的尾流沿徑向擴散，使得其管口附近的流噪聲要高于普通直管3～5 dB。關鍵詞： 聲輻射； 噴射流； 流噪聲； 大渦模擬； 聲比擬

中圖分類號： O422.6文獻標志碼： A文章編號： 1004-4523（2016）03-0504-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.017

引言

排氣噪聲是汽車噪聲的重要來源之一，其組成包括空氣噪聲、輻射噪聲和氣流噪聲等[1]。研究表明汽車進排氣噪聲對車外通過噪聲的貢獻率達20%以上[2]，特別是汽車在高速、大負荷運行時，排氣噪聲的貢獻率大大增加，主要以氣流噪聲為主，且再生流噪聲使得排氣系統的消聲性能大為削弱。因此，了解排氣噴流噪聲的特點和機理，研究適合的噪聲預測方法和手段，對于汽車排氣系統的正向匹配設計具有積極意義。

排氣噴流噪聲是氣體高速流動時所產生的氣動噪聲，其產生機理較為復雜，由于排氣系統內外流場具有高溫、高流速、非穩態、非均勻的特點，準確測量識別流噪聲以及數值計算都面臨諸多困難。國內外的諸多學者用試驗測量手段和仿真技術等對噴流噪聲問題進行了大量的研究，研究領域多見于航空發動機和汽車排氣系統。Roeck等[3]提出了用于氣流管道內部的兩端測量技術，研究分析了管道及簡單膨脹腔內氣流噪聲的性質；Wiemeler等[4]和Kunz等[5]通過試驗方法總結出排氣溫度、排氣流量等參數對汽車排氣流噪聲的影響，并指出汽車排氣系統流噪聲主要由尾管內的氣流馬赫數決定，可以通過排氣質量流速率和排氣溫度預測流噪聲水平。Rona等[6]運用TRANS（TimeDependent Reynolds Averaged NavierStoke）方法，使用軸對稱二維有限元模型，預測了2倍音速的航空發動機噴射噪聲；劉友宏等[7]采用二維kε湍流模型與FWH方程，研究V型尾緣噴口的遠場輻射噪聲及是其指向性；潘普生等[8]運用kε湍流模型對低馬赫數下直管噴流的流場進行了研究，并應用Lighthill方法預測了流噪聲的大小及其指向性；吳堃等[9]采用二維大渦模擬（LES，Large Eddy Simulation）模型再現了低流速下直管噴射過程中流場非穩態演化的過程，并以FWH方程求解了遠場噪聲；郝宗睿等[10]應用FWH方程計算了圓形、矩形、橢圓形、三角形等多種截面形狀噴口的噴流噪聲。

噴射流噪聲預測仿真研究受限于計算模型和規模，多見于二維及軸對稱模型，但這與非定常非均勻的流場存在一定差異。尤其對于氣動噪聲空間傳播問題，利用二維仿真模型計算噪聲，需要估計聲源深度（將二維模型沿另一維度延拓的長度），不同的聲源深度估計值會得到不同的仿真結果，這給計算帶來了不確定性，全尺寸三維模型則可保證聲學仿真模型與實際情況完全一致。另外，Rubio等[11]在應用二維模型研究簡單膨脹腔的氣動音調噪聲（窄頻帶）產生機理后指出，針對寬頻帶的氣動噪聲，需要獲取流場中更詳細的湍流信息，應該使用三維模型仿真。

本文應用大渦模擬（LES， Large Eddy Simulation）和聲比擬（AA，Acoustic Analogy）方法，研究排氣系統三維噴射流場的噴流噪聲與排氣氣體流速的關系，以及噴流噪聲的空間指向性等，并分析了兩種常見的排氣尾管形式的流噪聲特點，最后通過試驗方法進行了驗證。本方法兼顧了計算量與求解精度，彌補了二維仿真模型在非均勻流場描述能力上的不足。

4結論

（1）建立了LES和AA相結合的排氣噴射流噪聲預測方法。仿真結果表明，噴射流噪聲以低頻為主，并通過試驗驗證了其正確性。

（2）研究分析了直管和擴張管兩種尾管的噴射流噪聲。仿真和試驗均表明，相同流速條件下，擴展管式尾管噴口附近的噴射流噪聲要高于普通直管3～5 dB。

（3）普通直管和開口管的排氣噴射流噪聲的聲場具有明顯的空間指向性，與噴射流場形態一致，越靠近下游噴流勢核與湍流混合區的部位，噴流噪聲越強。

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