CFX在管道声音模量传递特性中的应用
发布时间：2020-10-15 12:04
本文研究的声音模量是由涡轮机械中定子与转子相互耦合而产生的特殊声学现象,声音模量在涡轮机械中形成的波动压力可能会导致瞬态力,进而引起叶片的损坏。通过了解、分析声音模量在涡轮机械中的传播机理,可以研发出更加安全和低噪声的涡轮机械。现在的声学分析软件主要有Vone、Sysnoise和Actran等,这些软件主要解决了振动噪声、声振耦合、声疲劳等现象,而对于声流体并未有较好的数值仿真分析模型。研究表明,商业软件ANSYS CFX能进行声音模量传播的数值计算,并且可以将流体运动加入到数值计算中。本论文将探究CFX计算声音模量传播的能力。论文的主要工作有:(1)论文从管道声波传递方程出发,分别计算声波在柱坐标系下的压力传递方程。其中,最主要的工作是拟合不同模态数(8)、9))下的Bessel方程,并将计算得到的Bessel方程作为CFX初始计算中的边界条件,用以探究不同声音模量在管道中传递的特性与机理,并利用CFX对具有不同壁面条件的管道声传播模态以及截止频率等进行了数值模拟,验证了CFX对声学性能计算的准确性。(2)论文分析了管道中产生声压反射、共振的条件,并借助声音模量在管道中传递的特性进行逐步探究。主要探究CFX在不同管道长度和不同模量下对声压反射的特性,展示了CFX对声学性能计算的拓展性。(3)论文将声音与流体耦合,分析声音模量在有流体介质参与时,不同工况下的传递特性。主要探究声流体在传播方向上的压力衰减以及在高马赫数下流体对声音波长的影响。此外,分别展示了不同壁面条件和湍动度对声压衰减的影响,分析了CFX在大湍动度模型下计算的局限性。研究表明:CFX可以准确计算出声音模量在管道中传递的特性,并且可以展现出声压在管道中的反射与共振现象。在有流体参与的工况下,CFX仍可以保持令人满意的结果。因为国内没有基于CFX来研究管道声音模量传播的方法,因此本论文在CFX管道声学仿真做了详细的论述,方便工程师在这个领域做进一步的研究。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB52
【部分图文】：
在涡轮机械中，由于复杂的非定常流场和复杂的几何形状的存在，流动激发现象无处不在。流场由旋转部件和静止部件之间的相互作用支配，导致强烈的周期性并叠加在高度的湍流中[5]，随湍流波动构成了宽带激励源。但在临界激发现象方面，不同频率的波动占主导地位。后者可能由叶片传递或叶片和其他流动障碍物的涡流脱落引起。流动引起的激发源可能引发声学现象使分析更加复杂[6]。此外，由于现代压缩机中的压力越来越大，声学模量的激发源与涡轮机结构部件的疲劳失效有极大的相关性。流固耦合和声场之间发生的相互作用非常复杂，它们不能用标准的设计工具计算。未来在涡轮机械设计过程中也将考虑声压对其的影响。国内外学者已经开始在这一领域的研究项目，特别是声音模量的激发和传播。S.Koenig[5,7-8]分析了不同高压离心式压缩机的声音模量分布，发现一些压缩机中侧腔中的声音模量和轮毂是耦合的。由于耦合可能会导致轮毂局部压力超过许应压力，在长时间运行下会产生由转子-定子激发所产生的声压对压缩机结构上的破坏(见图 1-1)。
在涡轮机械中，由于复杂的非定常流场和复杂的几何形状的存在，流动激发现象无处不在。流场由旋转部件和静止部件之间的相互作用支配，导致强烈的周期性并叠加在高度的湍流中[5]，随湍流波动构成了宽带激励源。但在临界激发现象方面，不同频率的波动占主导地位。后者可能由叶片传递或叶片和其他流动障碍物的涡流脱落引起。流动引起的激发源可能引发声学现象使分析更加复杂[6]。此外，由于现代压缩机中的压力越来越大，声学模量的激发源与涡轮机结构部件的疲劳失效有极大的相关性。流固耦合和声场之间发生的相互作用非常复杂，它们不能用标准的设计工具计算。未来在涡轮机械设计过程中也将考虑声压对其的影响。国内外学者已经开始在这一领域的研究项目，特别是声音模量的激发和传播。S.Koenig[5,7-8]分析了不同高压离心式压缩机的声音模量分布，发现一些压缩机中侧腔中的声音模量和轮毂是耦合的。由于耦合可能会导致轮毂局部压力超过许应压力，在长时间运行下会产生由转子-定子激发所产生的声压对压缩机结构上的破坏(见图 1-1)。
2 理论背景非定常来流与叶片干涉产生的声波在风扇或涡轮中并非是任意形态存在的。Goldstein 在假定平均流场有势的前提下建立起平均流场中任意一点的扰动量与远前方来流扰动量之间的相互关系，给出了下面的方程： ( ) ( ) (2-63)由以上方程可知，在非均匀平均流的情况下，来流扰动不仅通过边界条件与声扰动相互作用，而且在传播过程中也会与声扰动耦合，并形成如式 2-63 右边所示声源。在航空发动机叶轮机内部，最重要的边界条件就是管道效应，由于管道边界的限制，声波在其中只能以特定的形态出现，也就是常说的模态。如图 2-1 所示：2.3 模态理论( Mode Theory)
【参考文献】
本文编号：2842146
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB52
【部分图文】：
在涡轮机械中，由于复杂的非定常流场和复杂的几何形状的存在，流动激发现象无处不在。流场由旋转部件和静止部件之间的相互作用支配，导致强烈的周期性并叠加在高度的湍流中[5]，随湍流波动构成了宽带激励源。但在临界激发现象方面，不同频率的波动占主导地位。后者可能由叶片传递或叶片和其他流动障碍物的涡流脱落引起。流动引起的激发源可能引发声学现象使分析更加复杂[6]。此外，由于现代压缩机中的压力越来越大，声学模量的激发源与涡轮机结构部件的疲劳失效有极大的相关性。流固耦合和声场之间发生的相互作用非常复杂，它们不能用标准的设计工具计算。未来在涡轮机械设计过程中也将考虑声压对其的影响。国内外学者已经开始在这一领域的研究项目，特别是声音模量的激发和传播。S.Koenig[5,7-8]分析了不同高压离心式压缩机的声音模量分布，发现一些压缩机中侧腔中的声音模量和轮毂是耦合的。由于耦合可能会导致轮毂局部压力超过许应压力，在长时间运行下会产生由转子-定子激发所产生的声压对压缩机结构上的破坏(见图 1-1)。
在涡轮机械中，由于复杂的非定常流场和复杂的几何形状的存在，流动激发现象无处不在。流场由旋转部件和静止部件之间的相互作用支配，导致强烈的周期性并叠加在高度的湍流中[5]，随湍流波动构成了宽带激励源。但在临界激发现象方面，不同频率的波动占主导地位。后者可能由叶片传递或叶片和其他流动障碍物的涡流脱落引起。流动引起的激发源可能引发声学现象使分析更加复杂[6]。此外，由于现代压缩机中的压力越来越大，声学模量的激发源与涡轮机结构部件的疲劳失效有极大的相关性。流固耦合和声场之间发生的相互作用非常复杂，它们不能用标准的设计工具计算。未来在涡轮机械设计过程中也将考虑声压对其的影响。国内外学者已经开始在这一领域的研究项目，特别是声音模量的激发和传播。S.Koenig[5,7-8]分析了不同高压离心式压缩机的声音模量分布，发现一些压缩机中侧腔中的声音模量和轮毂是耦合的。由于耦合可能会导致轮毂局部压力超过许应压力，在长时间运行下会产生由转子-定子激发所产生的声压对压缩机结构上的破坏(见图 1-1)。
2 理论背景非定常来流与叶片干涉产生的声波在风扇或涡轮中并非是任意形态存在的。Goldstein 在假定平均流场有势的前提下建立起平均流场中任意一点的扰动量与远前方来流扰动量之间的相互关系，给出了下面的方程： ( ) ( ) (2-63)由以上方程可知，在非均匀平均流的情况下，来流扰动不仅通过边界条件与声扰动相互作用，而且在传播过程中也会与声扰动耦合，并形成如式 2-63 右边所示声源。在航空发动机叶轮机内部，最重要的边界条件就是管道效应，由于管道边界的限制，声波在其中只能以特定的形态出现，也就是常说的模态。如图 2-1 所示：2.3 模态理论( Mode Theory)
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 梁东;王利;弓志强;杨明绥;;一种风扇/压气机声模态测量分析方法[J];燃气涡轮试验与研究;2015年03期
2 陆美彤;张帆;孙学军;何嘉欢;杜义朋;;离心压缩机出口管道声学振动分析[J];压缩机技术;2015年02期
3 闫媛媛;张勇;杨飞;;基于ANSYS CFX的反应炉燃烧传热数值模拟研究[J];陕西科技大学学报(自然科学版);2013年05期
4 胡彬彬;欧阳华;吴亚东;杜朝辉;;偶极子噪声在均匀流管道中传播的声学模型[J];上海交通大学学报;2013年05期
5 于冲;王旭;董福安;陈鹏;;y~+值对翼型气动参数计算精度的影响研究[J];空军工程大学学报(自然科学版);2012年03期
6 郭洪锍;;基于ANSYS软件的有限元法网格划分技术浅析[J];科技经济市场;2010年04期
7 许蕾;罗会信;;基于ANSYS ICEM CFD和CFX数值仿真技术[J];机械工程师;2008年12期
8 赵殿甲;;两相流体力学研究综述[J];煤炭技术;2006年07期
9 张智辉;吴周友;陈军;王树宗;;消声器改进设计中内部声学问题的数值计算[J];内燃机工程;2006年02期
10 张文平,柳贡民,田华安,张新玉,季振林;一种新型消声器的设计和试验研究[J];哈尔滨工程大学学报;2004年05期
本文编号：2842146
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/2842146.html
