结构振动声辐射的有限体积法研究与应用

发布时间：2018-04-26 03:12

本文选题：结构振动声辐射 + 格点型有限体积法　；参考：《哈尔滨工程大学》2014年博士论文

【摘要】：在噪声控制工程领域内,了解系统声振特性,是设计优化低噪声设备的前提。基于数值方法模拟结构振动声辐射,能够为系统的优化设计提供依据。结构振动声辐射数值模拟的关键技术包括结构振动的计算方法、声辐射的计算方法及多物理场耦合求解方式等。本文基于格点型有限体积法(FVM)建立统一的结构振动、声辐射求解方法,利用界面耦合条件实现结构声耦合计算,将建立的数值求解流程程序化,形成通用的数值模拟软件。针对结构振动问题,采用三角形单元、四边形单元、四面体单元、三棱柱单元及六面体单元等5种单元划分计算域,基于格点型FVM离散各向异性材料弹性力学控制方程,分别利用显格式与隐格式算法求解离散方程,采用Fortran语言编程建立求解程序。针对已有文献缺乏关于三棱柱单元的稳定性判据,通过对位移二阶波动方程进行数值色散分析,给出三棱柱单元的稳定性判据,补充完善时间步长和空间步长的选择依据。通过对四边形单元进行改进处理,避免了位移场出现不合理的数值跳动。对比本文显格式FVM、隐格式FVM与商用软件ANSYS的计算精度、内存和CPU耗时,评价两种求解格式的数值性能。针对声辐射问题,推导给出经典声波动方程、静态非均匀介质声波动方程及均匀流声波动方程的统一形式,给出由5种单元构建二维声场和三维声场的格点型FVM和计算流程,形成显格式、隐格式求解两种算法,建立求解程序。通过讨论经典声波动方程的有限差分方程色散关系,推导出5种单元的稳定性判据,为合理的选择时间步长和空间步长提供依据;分析网格尺寸、时间步长对计算结果的影响;通过在进出口应用吸收边界去除进出口边界产生的反射波,改进现有时域脉冲法,该方法不需要过长的进出口管,仅需要一次计算就可获得消声器传递损失,具有计算效率高、计算消耗少的优点。针对结构声耦合问题,结合建立的结构振动求解方法和声辐射求解方法,采用力平衡与加速度连续界面耦合条件,通过顺序耦合求解,建立界面结构声耦合问题的格点型FVM和计算流程。讨论基于界面端点和界面中点的两种耦合界面处理方法的区别;分析对四边形单元处理方式的改进对结构声耦合问题计算结果的影响;通过在结构子域与声学子域分别采用显格式、隐格式求解,构建出四种求解组合方式,数值结果表明显显、隐显求解格式比较稳定:为了提高算法的计算效率,引入不同时间步长技术。归纳基于非结构格点型FVM的结构振动声辐射软件的功能、设计思想及程序实现过程,形成较完整的基于非结构网格三维结构振动声辐射计算软件GTEA-SAI,并将其应用于水下无限长圆柱、充水和气封闭声腔、水消声器及水下结构的结构声耦合系统性能计算,可同时得到系统的时域响应及频域信息。数值结果表明,该软件可以有效的应用于结构振动声辐射的传播过程仿真和声振性能预测。
[Abstract]:In the field of noise control engineering , it is the premise of designing and optimizing the low noise equipment . Based on the numerical method , a unified form of the structure vibration and acoustic radiation can be provided for the optimization design of the system . In order to improve the computational efficiency of the algorithm , the numerical results show that the explicit and implicit solution scheme is stable : In order to improve the computational efficiency of the algorithm and to introduce different time step sizes , the function , the design idea and the program realization process of the structure vibration acoustic radiation software based on the non - structural lattice type FVM are summarized . The time domain response and the frequency domain information of the system can be obtained simultaneously . The numerical results show that the software can be applied to the propagation process simulation and the acoustic performance prediction of the structural vibration acoustic radiation .

【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB535

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