CFX在管道声音模量传递特性中的应用

摘要

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(m、n)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。

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