文摘
澄清freestream湍流的影响腔音调,流和声学领域直接预测空腔流动的各种强度的freestream动荡。freestream马赫数为0.09和雷诺数基于腔长度是4.0×104。腔的depth-to-length比率,是0.5和2.5,深度模式的声共振发生的= 2.5。传入的层流边界层。freestream湍流强度的结果你= 2.3%显示腔音调的降低水平与声共振腔流是没有声共振比。澄清的原因,根据《声源的声学类比计算,强度的贡献和知识连贯性的声源的减少腔语气估计。因此,减少知识连贯性的影响对腔的语气与声共振腔流大于没有共振,而强度的影响流类似。
1。介绍
流经开放腔的天窗等汽车和飞机的起落架配置经常产生自激振荡和强烈的色调的声音。因此,为了降低音调的声音从空腔发展是最重要的问题之一的快速交通工具,如飞机或汽车。
振荡的机制与fluid-acoustic交互可压缩腔流动提出了Rossiter [1]。下游的涡流冲击腔边缘产生声波。这些声波引起的涡旋脱落上游腔的边缘了。Sarohia [2)测量速度波动在蛀牙层流流动的浅腔(depth-to-length比蛀牙和freestream马赫数)。他发现不稳定的剪切层自激振荡腔的放大。东(3)测量的声压深腔在湍流边界层(和)。澄清,放大了自激振荡剪切层和声学的不稳定之间的耦合模式的方向腔深度。没有声共振的空泡流不产生自激振荡或强烈的色调声音腔在低马赫数流动的湍流边界层。最近,直接数值模拟进行研究的三维稳定腔流(4]。
自激振荡腔流动的控制和声音产生蛀牙也被调查。黄、张(5)使用等离子体致动器在前缘实现之前,蛀牙在最近的一项研究腔的控制流和水平得到显著降低音调的声音。流引起的致动器遍历流向的方向使剪切层厚度不均匀的方向。
Lusk et al。6]调查稳定正常的衰减影响上游的前缘的大规模注入腔在超声波振荡腔流动。吹流从多节的老虎机跨越腔宽度分手了大型结构空腔流和减少的压力波动水平蛀牙。这些结果表明,在传入的边界层扰动减少腔的语气是很重要的。
边界层的干扰也可能造成freestream动荡,freestream漩涡,声波,审议Saric et al。7]。布兰德et al。8]研究的影响的整体规模freestream湍流边界层的旁路转换通过直接数值模拟。他们发现,转换为早些时候发生大规模freestream动荡。传入边界层的状况影响腔的语气,这可能导致过去测量散射腔声压谱的语气特别低马赫数(9]。然而,freestream湍流的影响腔流动和生成的声音尚未阐明。
也被认为是重要的澄清声源的结构理解的机制减少了腔音。拉尔森et al。10)直接模拟二维流动和声学领域,基于斯柯尔估计声源的声学类比11通过使用表面脉动压力)。他们发现腔基调的声源在下游最大腔的边缘。问和戴维森(12]讨论了取消来源腔底部和下游墙。然而,强度的影响(《声的来源13]高空相干源的声音没有被调查。
本研究直接模拟流动的空腔流动的各种强度和声学领域freestream动荡。腔的声源语气基于《声学类比(13]估计澄清机制减少腔语气freestream动荡。的影响减弱声源的强度和降低由相干声源的腔语气分别调查。
2。流程配置
图1概述了配置流二维空腔。坐标系统的原点位于上游腔的边缘。流向的方向是设在,垂直方向的设在,高空方向这两个轴是相交的设在。空腔长度,20毫米。freestream速度,,是30 m / s。
(一)
(b)
表1总结了计算和实验条件。腔的depth-to-length比率和2.5。此外,声共振腔深度的方向发生在流动腔,如部分中解释5.2。freestream马赫数,是0.09,表示声音的速度。基于空腔长度、雷诺数,是,在那里表示动力粘度,空腔深度的基础上,,是为和为。
流中的速度剖面在平板没有腔流向位置对应的位置上游腔边缘有无freestream动荡是在良好的协议与层流Blasius边界层。动量厚度的比值在上游边界层腔长度略改变了freestream动荡(湍流强度你= 0.0 -2.3%)和不同的范围-0.0074 = 0.0071计算。这是大约相同的实验(= 0.0072),freestream动荡是0.6%。
freestream湍流的特点在本文所描述的湍流强度,你,和规模的积分,。涂,湍流强度是计算用的有效值流向速度的波动,,在= 0.2 - -0.5,甚至这下限的高度大于边界层厚度的三倍。的整体规模freestream动荡,,利用自相关函数计算值的流向速度,,在同一范围的高度。强度和积分尺度大约持续在这个范围的高度。
湍流强度的计算进行了你= 0.0%,0.9%,1.5%,1.8%,和2.3%,积分尺度在哪里为你= = 0.095和0.9%你= 2.3% = 0.111。此外,规模的比例积分边界层的动量厚度,13.3,是你为你= = 0.9%和15.5 2.3%。湍流强度、涂在这项实验中,0.6%和规模的积分,0.165。
已经确认没有发生边界层的层流湍流过渡与这个freestream湍流计算和实验。同时,初步计算腔的流= 0.5 freestream动荡的你= 1.5% = 0.078和0.137与湍流强度表明差异的影响整体规模的减少腔内2 dB基调。
3所示。实验方法
实验(14使用吸扬式)进行,低噪声风洞矩形截面的测试区150 mm×75 mm,图中概述2。freestream湍流强度小于0.6%和不均匀的freestream小于±0.1% freestream 30 m / s的速度。背景噪音水平58 dB (A)在同一速度。
测试部分知识的方式终止了端墙压克力板和多孔板组成的可视化腔内的流动和抑制声谐振的方向。速度沿腔的中心(= 0.5)用热线风速仪测量。在远场声压(= 6.75,与没有方向的1/2英寸= 23.5)测量麦克风。
4所示。数值方法
4.1。控制方程和有限差分公式
澄清fluid-acoustic交互的空腔流动,流动和声学领域模拟同时通过直接求解三维可压缩n - s方程的守恒形式。
使用sixth-order-accurate紧凑空间衍生品进行有限差分格式(15]在边界(fourth-order-accurate计划)。执行的时间集成third-order-accurate龙格-库塔方法。
为了降低计算成本,大涡模拟(LES)进行本研究。tenth-order-accurate空间滤波器消散的能量应该转移到次网格尺度漩涡。这个过滤器也删除数值不稳定由于紧凑型有限差分格式(16]。细节在这些计算方法已经在Yokoyama和加藤17]。
4.2。计算网格
图3显示了在空腔流的计算网格= 2.5。计算域的长度= 1.0,由网格分辨率。它已经初步确认了计算结果大约同意那些有广泛的计算域。在空腔流的计算网格= 0.5是相同的范围对空腔流= 2.5。总网格点是1800万。
图4概述了计算域划分旋转的,声,缓冲区域。旋涡的地区从上游到下游的边缘边缘腔(≤0.0≤≤1.0−0.1≤0.1),剪切层的扩散。网格的分辨率是=≤0.01和足够好来捕获大型旋转的结构和活跃的小尺度涡流腔流。预测的速度谱将在稍后讨论5.1。
该地区周围的虚线(−12.5≤≤8.5和≤23.5)在图4是一声。声地区,三两倍的基本频率的声波波长腔音= 0.5和2.5,分别。超过了10个点数使用每个声波波长二和四倍的基频腔音= 0.5和2.5,分别在声学网格分辨率。
在缓冲区域,网格足够延伸至消散声和人工nonreflecting voritcal干扰附近的边界条件。
作为讨论的部分5,比较预测的流和声音与测量澄清,可以捕获声波辐射从空泡流使用这个计算网格和这些数值方法。
4.3。边界条件
图4也显示了边界条件。Nonreflecting边界(18- - - - - -20.在流入和流出边界)使用。在上游的腔下边界,边界条件改变从滑动墙中性和绝热壁。这种变化的位置决定为了设置边界层厚度测量。周期性边界条件用于知识的方向。
统一的渐近稳定的流流入缓冲地区实施(≤12.5−)空泡流没有freestream动荡(Tu = 0.0%)。与freestream动荡,均匀湍流场对均匀稳定的流流入缓冲地区。
这个均匀湍流场分别预测是盒子动荡,开始从最初的流场计算的基础上,卡门光谱(21]。介绍了这些方法在前面的纸(17]。湍流强度和规模控制通过使用光谱卡门的参数。图5情节的能谱均匀湍流。均匀湍流泰勒规模几乎20毫米。
4.4。声学预测领域
多孔Ffowcs威廉姆斯和霍金斯(FW-H)方法(22- - - - - -24)是用来预测的声压测量点(= 6.75,= 23.5),因为直接模拟预测在远场声压极大地消耗计算资源和时间。FW-H公式可以写成 在哪里,,,代表着向外单位法向量的表面。下标“仓促”表示考虑推迟时间。压力,被采样的半圆柱形表面半径,,从空腔的中心(和),如在图概述6。
的计算域,是小于的实验中,,以减少计算资源。考虑这种差异的影响,声压水平,估计使用等价的相干长度,后,(2)[25- - - - - -27]: 在哪里是上面的声压级预测多孔FW-H方法和第二和第三项右边的修正条款。这个长度是由相干函数值的垂直速度沿腔的中心的方向,。
相干函数是计算通过相同的方式,在参考Van Der Velden et al。28(所示)3): 在哪里和表示autopower光谱和表示两点之间的互功率谱在给定尺寸线。相当于相干长度,大约也已经确认同意相位差的距离在《应力张量在同一位置(45度)。
当相干大于1/3在整个计算区域,相当于相干长度是由线性外推法计算中使用的值的范围= 0.25 - -0.5,连贯性的梯度近似等于常数。
5。验证的计算精度
5.1。流场
空泡流的预测流和声学领域没有freestream动荡(Tu = 0.0%)与测量由于边界层的湍流强度测量极小。
图7显示了预测和测量的平均速度和湍流强度的中心腔对空泡流,垂直速度的贡献用热线风速仪测量速度被认为是在我们先前的研究[一样27]。应该注意的是,图中的标记7在样本的预测结果仅代表数据计算持续时间,细网格分辨率。澄清,预测与测量结果吻合较好。
(一)
(b)
图8显示了预测和测量速度的功率谱,在腔的中心和最大的高度湍流强度(和)空泡流= 0.5。所有光谱分析的频率分辨率。平均预测的频谱是20倍,50%的样本重叠光谱分析和持续时间的样本是100l/。同时,实验光谱对时间平均9400次。
如图8有主要的峰值(基频)预测和测量结果,腔的辐射频率。此外,在基本频率的预测能力是在良好的协议与测量。
澄清计算域的宽度的影响,预测流场,正常速度的一致性= 0.5,= 0是计算流场预测的不同领域= 1.0和2.0。图9显示了在基本频率预测的一致性。它提出的分布一致性预测与原来的宽度是在良好的协议与宽度的两倍。这意味着独立域的宽度的计算结果支持采用周期性条件。
5.2。声压级
数据10 ()和10 (b)显示预测和测量声压谱点的远场(= 6.75,= 23.5)= 0.5和2.5,分别。测量水平受到背景噪声的影响的风洞圣< 0.5的范围。图中的酒吧现在的结果具有相同的平均数量的20,模拟不同的测量值与9400年的长期平均数量。
(一)
(b)
空腔流的预测光谱= 0.5和2.5是在良好的协议与测量。此外,空泡流的基本频率= 2.5,= 0.94对应的Rossiter模式(1),这是剪切层流向的漩涡,而为= 0.5,= 1.56是对应的。目前的峰值也同意四分之一波长的谐振频率模式腔深度的方向,和0.98,由东估计使用半经验的公式(3)和通用开放校正圆形封闭管道的8 (D/ 2)/ 3π(29日]。共振频率估计偏东的细微差别(3)可能是由于传入的边界层条件,在空腔被放置在一个湍流边界层实验偏东。
确认空泡流的声共振的发生= 2.5,腔中的压力波动的阶段了。图11显示了压力波动阶段差异,在基频垂直= 0.5。这些阶段不同的参考点是底部的腔(=−2.5)。压力波动的阶段腔的腔是恒定的;即由于声学驻波共振腔中产生。这些结果表明,声共振可以捕获在目前的计算。
澄清的依赖预测结果计算网格,计算两个不同的网格也空泡流的执行= 0.5没有freestream动荡(Tu = 0.0%)。一个网由细网双重网格点的法线方向的空腔,在正常的网格分辨率低于原始网格。另一个是宽的两倍作为当前网格中提到的部分5.1。
图12与这些网格显示了预测声压谱。如这个图所示,色调的声音是相同的基本频率的预测= 1.56和水平的差异在5分贝。因此,得出的结论是,网格上的预测结果的依赖较小。
已经得出的结论与讨论部分的流场5.1目前的计算能充分抓住流和声学领域。
6。结果与讨论
6.1。在空泡流剪切层
图13显示了预测平均速度和湍流强度的中心腔(空泡流与= 0.5)= 0.5有或没有freestream动荡。如图(13日),澄清与freestream湍流剪切层增厚。
(一)
(b)
动量厚度在= 0.5是计算 在哪里和被设置为−0.2和0.2。这个范围是一样的,在文献[30.]。动量厚度澄清变得更厚= 0.019 (Tu = 0.0%) 0.027 (Tu = 2.3%) freestream动荡。图13 (b)还表明,湍流强度freestream变得更加激烈的动荡。
图14显示了空泡流预测的概要文件= 2.5。如这个图所示,剪切层变厚,从动量厚度的改变= 0.041 (Tu = 0.0%) 0.049 (Tu = 2.3%) freestream动荡。图14表明,湍流强度的峰值变得稍弱的freestream动荡。这是因为速度波动的基本频率变得较弱。freestream湍流的速度谱的影响将在下一节中讨论。另外,如图14,该地区强烈的湍流强度分布的正常方向freestream动荡的你= 2.3%。因此,在剪切层混合增强和剪切层变厚。
(一)
(b)
6.2。旋转的结构
图15腔周围显示瞬时流场图= 0.0%和2.3%的空泡流没有声共振。图16显示了空泡流的声共振。
(一)
(b)
(一)
(b)
大规模发现漩涡的空泡流没有freestream动荡(Tu = 0.0%)对空腔流动,没有声共振。这些漩涡脱落的上游优势腔的基本频率和腔导致周期性的声辐射。
大型旋转的结构、连贯的目的的方向,特别是主导你= 0.0%与声共振腔流。回水区肋结构和小尺度涡流在剪切层可以观察到你= 0.0%的空泡流没有声共振。随着湍流强度增加,小尺度涡流不管声共振变得活跃。
数据(17日)和17 (b)显示垂直速度的功率谱,的中心腔(= 0.5,),大规模的漩涡是观察到没有freestream动荡的空泡流没有声共振和声学共振,分别。
(一)
(b)
freestream动荡你= 0.9%的功率谱是几乎一样的空泡流没有freestream动荡(Tu = 0.0%)在这两种情况下,没有声共振。的水平速度波动的基本频率变得显著降低你= 2.3%。这个级别对应的力量速度波动由于大规模旋涡的结构,成为空腔的声源的基调。
这些光谱也比曲线−5/3权力。所有的山坡上的功率谱速度波动有或没有freestream动荡圣= 1 - 5的范围是沿着曲线−5/3权力的空泡流没有声共振。此外,范围大约是独立的水平freestream动荡。
如图17 (b)空泡流与声共振,频谱变得接近曲线的斜率为−5/3权力通过添加freestream动荡。数据(18日)和18 (b)显示下游腔的边缘附近的功率谱(= 0.9,= 0)空泡流没有声共振和用声共振,分别。图18 (b)显示力量显然是沿着曲线的斜率−5/3力量的圣= 1 - 5的范围内尤其是你= 2.3%与声共振腔流。此外,在高频率的能力变得更加激烈的freestream动荡你= 2.3%。
(一)
(b)
上述结果表明,剪切层中湍流混合增强freestream动荡和混乱的过渡剪切层由于freestream发生动荡。
6.3。Freestream湍流对腔的影响基调
图19显示了在声远场声压谱(= 6.75,= 23.5)与没有声共振腔流动。不同的色调基频声压水平,空泡流的参照,没有freestream动荡也。
(一)
(b)
的−2.4 dB和−15.1 dB你= 0.9和2.3%,分别为空泡流没有声共振。的−0.3 dB和−20.0 dB你= 0.9和2.3%,分别与声共振腔流。
freestream湍流的影响在腔腔流都小于2.5 dB的语气有或没有声共振freestream动荡的你= 0.9%。色调的声音产生的空泡流与声学共振freestream动荡可极大地影响你= 2.3%。
强度的减弱和降低知识连贯性的声源是负责减少腔音。下面的章节将讨论freestream湍流的影响强度和知识连贯性的声源。
6.4。声源强度
气动声与脉动压力强度/速度和结构(相干运动)根据声学类比11,13,22]。此外,下游腔的边缘附近的速度波动导致的声压级自腔腔语气语调是由撞击在下游大型旋转的结构洞的边缘(17]。
《的方程(13) 在张量是《应力张量。这张量约等于低马赫数的雷诺应力项(31日]所示(6)。在本节中,声源的强度估计通过《雷诺应力项的应力张量(13下游边缘附近的基频。的范围约等于的规模大型旋转的结构。
数据20.和21显示上述声源的强度(《雷诺应力项的应力张量)的基本频率,在空腔。另外,图22显示的功率级声源的基本频率,,以及从上游到下游边缘边缘。如图,声学源由freestream削弱了动荡。
(一)
(b)
此外,声音还原水平腔音由于声源的强度的减弱,被集成计算的力量来源,的范围。的方程如下: 下标“0”是指的空泡流的状况没有freestream动荡(Tu = 0.0%)。
表2显示的值在每一个条件。的价值−8.5 dB和−8.2 dB的你= 2.3%没有声共振,分别代表更大的效果比你= 0.9% (0.8−0.3 dB和dB)。同时,这意味着腔语气大大降低声源的削弱你= 2.3%。
6.5。由相干声源
Two-dimensionality方向由大型旋转的结构如图15和16定量讨论。在本节中,freestream湍流的影响的知识连贯性声源通过计算讨论了垂直速度的一致性,在基本频率的中心腔,如图23。
(一)
(b)
如图23由freestream湍流相干却降低了对于这两种情况下,没有声共振。相当于相干长度,节中讨论4.4,0.22,0.12,0.04,freestream动荡的流涂= 0.0,0.9和2.3%,分别在空泡流没有声共振,而它是6.40,5.76,0.05,你= 0.0,0.9,2.3%与声共振腔流。
等价的相干长度与声共振腔流没有freestream动荡,= 6.40,大于不声共振(流= 0.22)。这意味着大规模的two-dimensionality漩涡与腔的语气变得更高由于声学共振。如数据所示15和16、三维小尺度涡流与声共振腔流不太活跃。
节4.4SPL的校正方法,计算和实验知识程度之间的差异进行了探讨。使用类似的方法,降低的影响由相干声源的空腔,估计如下: 在哪里漩涡的回水区规模相关腔语气和估计大约的距离流向速度波动的相位差在剪切层。
表2还显示的值对于每个案例。−0.6 dB和−4.2 dB你= 0.9和2.3%的空泡流没有声共振,虽然−0.5 dB和−17.1 dB,你= 0.9为2.3%,与声共振腔流。这些结果礼物freestream湍流的影响与声共振腔流大于那些流没有声共振。这是可能的,因为湍流转变发生在自由剪切层的声共振的流湍流剪切层时,即使没有freestream湍流流中没有声共振。
6.6。贡献声源的强度和知识连贯性
强度和高空相干声源的声压级的影响变化freestream动荡,就像前面提到的。这两个因素的贡献是在本节讨论。表2和图24有助于解释各种因素的贡献腔音。总差异腔语气由于这些因素的贡献,,计算
(一)
(b)
图24表明,减少水平估计因素,,堪比预测的直接模拟,针对每种情况。同时,我们发现定性协议这样freestream湍流的影响对腔的语气与声共振腔流比,没有声共振。这是因为减少了声压级减少由于相干更大的声共振的空泡流,发生紊流过渡的地方。此外,本协议表明,目前的方法估算的影响强度和相干声源的腔的语气是合理的。
7所示。结论
直接模拟流量和声场进行了有或没有声共振腔流(= 0.5和2.5)在各种freestream湍流条件下澄清腔音freestream湍流的影响。freestream马赫数= 0.09和基于空腔长度的雷诺数= 4.0×104。传入的边界层层流动量厚度-0.0074 = 0.0071。湍流强度的影响的流涂= 0.0 -2.3%和声学领域。
声源的估计是使用基于《流场的声学类比。此外,减少腔音的影响分解为声源的强度和知识连贯性使减少腔基调的理解机制。减少总水平通过总结这些贡献的强度和相干性被澄清与预测的直接模拟。此外,这些分析结果可以解释好声共振和freestream动荡的影响在减少层次,从直接模拟预测。因此,这表明该方法估算的影响强度和相干声源的腔的语气在目前的研究中是合理的。
freestream湍流的影响在腔的语气与声共振腔流,−20.0分贝,比那些在空泡流没有声共振,−15.1 dB,空泡流freestream动荡的你= 2.3%。这是由于空泡流的流场的差异没有freestream动荡你= 0.0%。即大型旋转的结构与声共振腔流非常连贯的知识方向由于声共振,而他们甚至不太连贯的你= 0.0%的空泡流没有声共振。结果一致性差,空泡流与声共振freestream湍流影响更大。
强度的分析高空相干声源澄清的强度的影响和由相干声源,另一方面,没有声共振几乎一样。的影响由相干声源的腔音是大空泡流的声共振比,没有共鸣。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
本研究支持jsp KAKENHI批准号。24760134和24760134,通过新一代超级计算机策略程序可由教育部、日本文化、体育、科学和技术(下边了)。