本文研究的聲音模量是由渦輪機(jī)械中定子與轉(zhuǎn)子相互耦合而產(chǎn)生的特殊聲學(xué)現(xiàn)象,聲音模量在渦輪機(jī)械中形成的波動(dòng)壓力可能會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)力,進(jìn)而引起葉片的損壞。通過了解、分析聲音模量在渦輪機(jī)械中的傳播機(jī)理,可以研發(fā)出更加安全和低噪聲的渦輪機(jī)械�，F(xiàn)在的聲學(xué)分析軟件主要有Vone、Sysnoise和Actran等,這些軟件主要解決了振動(dòng)噪聲、聲振耦合、聲疲勞等現(xiàn)象,而對(duì)于聲流體并未有較好的數(shù)值仿真分析模型。研究表明,商業(yè)軟件ANSYS CFX能進(jìn)行聲音模量傳播的數(shù)值計(jì)算,并且可以將流體運(yùn)動(dòng)加入到數(shù)值計(jì)算中。本論文將探究CFX計(jì)算聲音模量傳播的能力。論文的主要工作有:(1)論文從管道聲波傳遞方程出發(fā),分別計(jì)算聲波在柱坐標(biāo)系下的壓力傳遞方程。其中,最主要的工作是擬合不同模態(tài)數(shù)(8)、9))下的Bessel方程,并將計(jì)算得到的Bessel方程作為CFX初始計(jì)算中的邊界條件,用以探究不同聲音模量在管道中傳遞的特性與機(jī)理,并利用CFX對(duì)具有不同壁面條件的管道聲傳播模態(tài)以及截止頻率等進(jìn)行了數(shù)值模擬,驗(yàn)證了CFX對(duì)聲學(xué)性能計(jì)算的準(zhǔn)確性。(2)論文分析了管道中產(chǎn)生聲壓反射、共振的條件,并借助聲音模量在管道中傳遞的特性進(jìn)行逐步探究。主要探究CFX在不同管道長(zhǎng)度和不同模量下對(duì)聲壓反射的特性,展示了CFX對(duì)聲學(xué)性能計(jì)算的拓展性。(3)論文將聲音與流體耦合,分析聲音模量在有流體介質(zhì)參與時(shí),不同工況下的傳遞特性。主要探究聲流體在傳播方向上的壓力衰減以及在高馬赫數(shù)下流體對(duì)聲音波長(zhǎng)的影響。此外,分別展示了不同壁面條件和湍動(dòng)度對(duì)聲壓衰減的影響,分析了CFX在大湍動(dòng)度模型下計(jì)算的局限性。研究表明:CFX可以準(zhǔn)確計(jì)算出聲音模量在管道中傳遞的特性,并且可以展現(xiàn)出聲壓在管道中的反射與共振現(xiàn)象。在有流體參與的工況下,CFX仍可以保持令人滿意的結(jié)果。因?yàn)閲?guó)內(nèi)沒有基于CFX來(lái)研究管道聲音模量傳播的方法,因此本論文在CFX管道聲學(xué)仿真做了詳細(xì)的論述,方便工程師在這個(gè)領(lǐng)域做進(jìn)一步的研究。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB52
【部分圖文】：

在渦輪機(jī)械中，由于復(fù)雜的非定常流場(chǎng)和復(fù)雜的幾何形狀的存在，流動(dòng)激發(fā)現(xiàn)象無(wú)處不在。流場(chǎng)由旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間的相互作用支配，導(dǎo)致強(qiáng)烈的周期性并疊加在高度的湍流中[5]，隨湍流波動(dòng)構(gòu)成了寬帶激勵(lì)源。但在臨界激發(fā)現(xiàn)象方面，不同頻率的波動(dòng)占主導(dǎo)地位。后者可能由葉片傳遞或葉片和其他流動(dòng)障礙物的渦流脫落引起。流動(dòng)引起的激發(fā)源可能引發(fā)聲學(xué)現(xiàn)象使分析更加復(fù)雜[6]。此外，由于現(xiàn)代壓縮機(jī)中的壓力越來(lái)越大，聲學(xué)模量的激發(fā)源與渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)部件的疲勞失效有極大的相關(guān)性。流固耦合和聲場(chǎng)之間發(fā)生的相互作用非常復(fù)雜，它們不能用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工具計(jì)算。未來(lái)在渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)過程中也將考慮聲壓對(duì)其的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始在這一領(lǐng)域的研究項(xiàng)目，特別是聲音模量的激發(fā)和傳播。S.Koenig[5,7-8]分析了不同高壓離心式壓縮機(jī)的聲音模量分布，發(fā)現(xiàn)一些壓縮機(jī)中側(cè)腔中的聲音模量和輪轂是耦合的。由于耦合可能會(huì)導(dǎo)致輪轂局部壓力超過許應(yīng)壓力，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下會(huì)產(chǎn)生由轉(zhuǎn)子-定子激發(fā)所產(chǎn)生的聲壓對(duì)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)上的破壞(見圖 1-1)。

在渦輪機(jī)械中，由于復(fù)雜的非定常流場(chǎng)和復(fù)雜的幾何形狀的存在，流動(dòng)激發(fā)現(xiàn)象無(wú)處不在。流場(chǎng)由旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間的相互作用支配，導(dǎo)致強(qiáng)烈的周期性并疊加在高度的湍流中[5]，隨湍流波動(dòng)構(gòu)成了寬帶激勵(lì)源。但在臨界激發(fā)現(xiàn)象方面，不同頻率的波動(dòng)占主導(dǎo)地位。后者可能由葉片傳遞或葉片和其他流動(dòng)障礙物的渦流脫落引起。流動(dòng)引起的激發(fā)源可能引發(fā)聲學(xué)現(xiàn)象使分析更加復(fù)雜[6]。此外，由于現(xiàn)代壓縮機(jī)中的壓力越來(lái)越大，聲學(xué)模量的激發(fā)源與渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)部件的疲勞失效有極大的相關(guān)性。流固耦合和聲場(chǎng)之間發(fā)生的相互作用非常復(fù)雜，它們不能用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工具計(jì)算。未來(lái)在渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)過程中也將考慮聲壓對(duì)其的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始在這一領(lǐng)域的研究項(xiàng)目，特別是聲音模量的激發(fā)和傳播。S.Koenig[5,7-8]分析了不同高壓離心式壓縮機(jī)的聲音模量分布，發(fā)現(xiàn)一些壓縮機(jī)中側(cè)腔中的聲音模量和輪轂是耦合的。由于耦合可能會(huì)導(dǎo)致輪轂局部壓力超過許應(yīng)壓力，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下會(huì)產(chǎn)生由轉(zhuǎn)子-定子激發(fā)所產(chǎn)生的聲壓對(duì)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)上的破壞(見圖 1-1)。

2 理論背景非定常來(lái)流與葉片干涉產(chǎn)生的聲波在風(fēng)扇或渦輪中并非是任意形態(tài)存在的。Goldstein 在假定平均流場(chǎng)有勢(shì)的前提下建立起平均流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的擾動(dòng)量與遠(yuǎn)前方來(lái)流擾動(dòng)量之間的相互關(guān)系，給出了下面的方程： ( ) ( ) (2-63)由以上方程可知，在非均勻平均流的情況下，來(lái)流擾動(dòng)不僅通過邊界條件與聲擾動(dòng)相互作用，而且在傳播過程中也會(huì)與聲擾動(dòng)耦合，并形成如式 2-63 右邊所示聲源。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)內(nèi)部，最重要的邊界條件就是管道效應(yīng)，由于管道邊界的限制，聲波在其中只能以特定的形態(tài)出現(xiàn)，也就是常說的模態(tài)。如圖 2-1 所示：2.3 模態(tài)理論( Mode Theory)
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2842146