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基于非稳态模拟的SAE车模气动减阻降噪研究

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湖南大学学报（自然科学版） 2023年第2期50卷 198-208页

作者：杨小龙龚繁龚政黄元康湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082

以20°后背倾角阶梯背式SAE(Society of Automotive Engineers)模型为参考模型,基于改进延迟分离涡模拟(Improved Detached Eddy Simulation, IDDES)湍流模型,研究了分别在车模后倾斜面顶部和尾部添加涡发生器(Vortex Generators, VGS)和沟槽(Riblets, RTS)时的非稳态流场结构,分析了两种被动减阻装置的减阻机制.同时通过提取流场声源信息,利用计算气动声学方法(Computational Aeroacoustics, CAA)和Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程对汽车噪声进行分析,研究了两种附加装置的声学特性.结果表明,两种附加装置减小了尾部涡结构强度,降低了气动阻力,同时降低了脉动压力,不仅实现了减阻还具有降噪的效果.减阻率分别为2.41%、2.76%,总声压级最大降低值分别为9.55 dB、5.46 dB.

关键词：减阻降噪计算流体力学涡发生器沟槽改进延迟分离涡模拟 FW-H方程

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潜器的随行波减阻降噪贴敷层

船舶力学 2001年第2期5卷 1-4页

作者：张效慈中国船舶科学研究中心无锡214082

21世纪 ,随着沿海战战略思想的强化 ,国际上正在加强各种水下航行器壳体贴敷层的研究。本文给出硬质随行波减阻降噪贴敷层的几何参数设计及原理。

关键词：潜器随行波减阻降噪贴敷层军事潜器设计原理

三维高速列车下表面波浪形受电弓弓头减阻降噪研究

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噪声与振动控制 2023年第5期43卷 209-214,285页

作者：黄伟蔡博刘畅尉良文陈秉智王悦东大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028

为了对高速列车受电弓进行有效减阻降噪,基于CX-NG型受电弓,对传统方形弓头模型进行下表面结构改型设计,提出下表面波浪形新型弓头结构。采用Fluent在不同速度工况下进行分析仿真,建立不同速度工况下的流场云图,将新型弓头与传统方形弓... 详细信息

为了对高速列车受电弓进行有效减阻降噪,基于CX-NG型受电弓,对传统方形弓头模型进行下表面结构改型设计,提出下表面波浪形新型弓头结构。采用Fluent在不同速度工况下进行分析仿真,建立不同速度工况下的流场云图,将新型弓头与传统方形弓头进行气动特性的定性对比,分析不同外形结构对流场的影响。通过对比分析发现,使用下表面波浪形受电弓弓头减阻降噪效果最好,3种速度工况下,阻力系数Cd分别减少12.23%、13.23%、13.40%;噪声分别减小0.73dB、1.42dB、2.37dB。

关键词：振动与波高速列车受电弓空气动力学数值模拟减阻降噪频谱特性

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基于展向波纹结构受电弓杆件减阻降噪研究

噪声与振动控制 2021年第6期41卷 126-133页

作者：张长亮刘海涛周新杨春辉肖乾华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室南昌330013

受电弓作为高速列车顶部重要的受流装置,在列车高速行驶时对气流产生扰动并形成涡旋脱落,产生显著的气动噪声,从而对周围环境产生影响。针对受电弓弓头的气动噪声问题,将展向波纹结构引入弓头杆件结构之中,基于波长λ和波纹幅度ω两个... 详细信息

受电弓作为高速列车顶部重要的受流装置,在列车高速行驶时对气流产生扰动并形成涡旋脱落,产生显著的气动噪声,从而对周围环境产生影响。针对受电弓弓头的气动噪声问题,将展向波纹结构引入弓头杆件结构之中,基于波长λ和波纹幅度ω两个参数建立了八组受电弓弓头展向波纹结构模型,并通过流体计算软件FLUENT进行流场的稳态和瞬态计算求解。采用标准k-ε模型来计算稳态流场,在此基础上通过大涡模拟计算瞬态流场。基于气动噪声混合计算方法,将瞬态流场计算结果通过积分插值映射到声学网格上,并计算获取气动噪声声源及传播过程。仿真计算结果表明,λ/D=2、ω/D=0.48的展向波纹结构模型降噪性能最优,较直方杆模型的总声压级降低了9.15 dB;λ/D=2、ω/D=0.36的展向波纹结构模型的减阻性能最优,较直方杆模型的气动阻力值降低了2.29 N。

关键词：振动与波受电弓流场声场气动噪声展向波纹减阻降噪

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侧推减阻降噪装置设计与应用探索

船舶工程 2015年第1期37卷 62-64,104页

作者：宋现国赵日定蒲莉芜湖新联造船有限公司安徽芜湖241001

侧推减阻降噪装置是一种填补国内空白的特种船舶装置,此装置可针对性解决因侧推通道激发的局部紊流及气泡层影响船舶声学设备正常使用的难题,该文介绍了该装置产生的背景、预期功能、设计校核方案及船上安装使用方法,经实船验证,该装置... 详细信息

侧推减阻降噪装置是一种填补国内空白的特种船舶装置,此装置可针对性解决因侧推通道激发的局部紊流及气泡层影响船舶声学设备正常使用的难题,该文介绍了该装置产生的背景、预期功能、设计校核方案及船上安装使用方法,经实船验证,该装置满足母船声学设备使用要求。

关键词：侧推通道减阻降噪气泡声学设备

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基于仿生沟槽结构的离心泵减阻降噪特性研究

基于仿生沟槽结构的离心泵减阻降噪特性研究

作者：郭超江苏大学

学位级别：硕士

设计研制高效低噪离心泵是新时代绿色生态发展的迫切需要。本文旨在掌握离心泵减阻降噪机理的基础上,基于仿生沟槽结构探寻一种离心泵减阻降噪优化设计方法。仿生沟槽结构类型多样,不同仿生沟槽结构对离心泵性能的影响有较大区别,探寻... 详细信息

设计研制高效低噪离心泵是新时代绿色生态发展的迫切需要。本文旨在掌握离心泵减阻降噪机理的基础上,基于仿生沟槽结构探寻一种离心泵减阻降噪优化设计方法。仿生沟槽结构类型多样,不同仿生沟槽结构对离心泵性能的影响有较大区别,探寻最佳类型的仿生沟槽结构并对其进行优化设计对协同提升离心泵水力性能和声学特性,节约能源、减小噪声污染具有重要意义。本文采用数值模拟和试验验证相结合的方法,围绕仿生沟槽模型设计、不同仿生沟槽结构对离心泵内部流场和声场的影响,以及仿生沟槽结构优化设计等进行了深入研究,旨在掌握仿生沟槽结构最优尺寸及仿生沟槽结构的减阻降噪机理。本文主要研究工作和成果如下:1.阐述了离心泵减阻降噪研究现状,概述了仿生结构在离心泵领域的应用,并对沟槽表面减阻降噪现状进行了系统的总结。2.搭建了离心泵闭式试验台,对离心泵不同工况下外特性、压力脉动、内场噪声进行试验研究,验证所建立的流场和声场数值计算方法,并对离心泵内流场进行了分析。结果表明:(1)模拟值扬程误差、效率误差均在5%以内,总声压级误差为1.81%,建立的流场和声场数值模拟方法计算精度较高。(2)叶片压力面出口处壁面剪应力较大,流体与叶片出口处摩擦阻力较大,为仿生结构的布置位置提供了参考。3.依据离心泵内部流体的流动特性,将仿生沟槽结构布置于叶片工作面靠近出口的1/3区域,开展Space-V型沟槽模型和V型沟槽模型流场分析,研究两种仿生沟槽结构对离心泵水力性能的影响规律,分析仿生沟槽结构减阻机理,并探寻减阻效果更优的仿生沟槽结构。结果表明:(1)仿生沟槽结构增加了叶片与流体的接触面积,改变了壁面剪应力的分布,使得叶片表面平均剪应力降低,同时仿生沟槽结构使叶轮流道内的速度变得更加均匀,并且可以降低叶片出口处的速度梯度,减小近壁面雷诺应力,从而减小摩擦阻力。(2)与光滑模型相比,布有仿生沟槽结构的离心泵的扬程和效率均有所提升,Space-V型沟槽模型对水力性能的提升效果更优,在额定流量下,Space-V型沟槽模型的减阻率为2.86%,V型沟槽模型的减阻率为1.82%。4.为了进一步揭示仿生沟槽结构对于噪声的影响规律,开展光滑模型及仿生沟槽模型的内外场噪声研究,掌握仿生沟槽结构对叶轮受力、压力脉动、内部涡核的影响规律,分析仿生沟槽结构的降噪机理,并探寻降噪效果更优的仿生沟槽结构。结果表明:(1)仿生沟槽结构能够降低离心泵内场噪声及外场辐射噪声,Space-V型沟槽结构对内外场噪声的降低优于V型沟槽结构。在额定工况下,两种仿生沟槽模型总声压级分别降低了1.36%、1.2%。(2)两种仿生沟槽模型能够降低叶轮所受的径向力,从而减小径向力周期性波动引起的振动,进而减小辐射噪声。在叶频处,Space-V型沟槽模型径向力降低了3.85%,V型沟槽模型径向力降低了2.6%。(3)仿生沟槽结构在一定程度上能够减小叶轮和隔舌的动静干涉作用,降低压力脉动。就平均压力而言,Space-V型沟槽模型降低幅度比V型沟槽模型更为突出。(4)仿生沟槽结构能够破坏脱流及尾迹涡,有效控制叶轮内的湍流程度,减少叶轮流道内的涡核,同时仿生沟槽结构能够破坏叶片表面的涡核,减少泵内的能量损失,Space-V型沟槽更为明显。5.基于响应面方法对Space-V型沟槽进行进一步的优化设计,建立了总声压级与仿生沟槽结构高度h,宽度s,间距b之间的回归方程,分析了各个参数交互作用对总声压级的影响,确定了总声压级较低时各个参数范围,并对优化前后的模型进行了水力性能和内场噪声的对比。结果表明:(1)随着沟槽高度的增加,总声压级先减小后增大;随着沟槽宽度的增大,总声压级先减小后增大;随着沟槽间距的增大,总声压级增大。(2)优化后的Space-V型沟槽模型能显著提高离心泵的性能,效率提高了4.51%,阻力减小了3.73%,总声压级降低了1.81%。

关键词：离心泵减阻降噪仿生沟槽结构优化设计数值计算

基于大规模并行网格的离心泵仿生叶片减阻降噪特性研究

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基于大规模并行网格的离心泵仿生叶片减阻降噪特性研究

作者：戈志鹏江苏大学

学位级别：硕士

本文的研究是在国家重点研发计划(2016YFB0200901)的资助下开展的。从传统设计角度出发协同提升离心泵水力和声学性能较为困难,而运用仿生原理提取自然界中的特殊生物原型特征进行减阻降噪,是解决该问题的较优方案。仿生结构的尺寸相对... 详细信息

本文的研究是在国家重点研发计划(2016YFB0200901)的资助下开展的。从传统设计角度出发协同提升离心泵水力和声学性能较为困难,而运用仿生原理提取自然界中的特殊生物原型特征进行减阻降噪,是解决该问题的较优方案。仿生结构的尺寸相对较小,采用直接数值模拟、分离涡模拟或大涡模拟等高精度数值计算方法研究其作用机理往往需要数亿甚至数十亿单元的大规模的网格,虽然我国快速发展的高性能超级计算机为此提供了足够的硬件支撑,但是与之配套的通用离心泵大规模网格划分软件相对较为匮乏。因此,研究面向分布式超级计算机的大规模并行网格生成算法,对于实现仿生离心泵的高精度数值模拟,建立关键流动参数与减阻降噪之间的联系具有重要的意义。本文采用理论机理分析、高精度数值模拟与试验测试相结合的方法,围绕并行网格生成、仿生叶片离心泵内部流场和声场特性以及离心泵多目标协同优化等进行了深入地研究,旨在提出一种大规模并行网格生成算法,掌握离心泵仿生叶片减阻降噪机理,实现离心泵水力性能和声学性能的协同提升。主要的工作和研究成果如下:1.阐述了并行网格生成的基本概念和基本思路,概述了运用仿生思路进行减阻降噪应用和分析的研究现状,归纳总结了离心泵多目标优化的思路和方法。2.基于区域分解法提出了一种面向高性能计算机的大规模并行网格生成算法,该算法可以有效适应离心泵水体的复杂表面并可保证交界面网格的一致性。将该算法通过“天河二号”超级计算机平台进行数值测试,对离心泵进行了大规模并行网划分和LES数值计算。研究结果表明:该算法生成的网格质量较高,能较好地继承原串行网格算法对于网格质量的保障;本文的并行网格生成算法可以有效地突破现有串行程序对于网格规模的限制,可在5分钟内生成10数量级的网格单元;在并行核心数不超过12核时,并行效率超过75.92%;大规模网格的计算结果能够更准确地捕捉到泵内流场的速度分布,揭示与PIV拍摄结果更贴近的漩涡和双涡等不稳定流动结构。3.为了掌握内流关键参数与减阻降噪效果之间关系,提取蜣螂体表非光滑结构特征布置于离心泵叶片工作面出口区域。基于大规模并行网格对内流场进行大涡模拟计算,基于Proudman半经验模型法和直接边界元法对离心泵内场噪声分布进行模拟计算,研究内流关键参数平均剪应力变化率、减阻率、增效率与内声场总声压级降噪率之间的变化关系,分析仿生叶片的减阻降噪机理。研究发现:仿生凹坑结构可以有效增加近壁面低速边界层的厚度,减少壁面雷诺应力,从而有效减小壁面所受阻力,提高离心泵的水力效率;发现并提出仿生凹坑处的“反向涡”减阻机理,仿生叶片布置的凹坑起到“微型滚动轴承”的作用,减少叶片壁面附近流体流动的摩擦损耗和能量损失;仿生叶片对于离心泵声场与流场的优化具有一定的统一性,噪声总声压级的降噪率与流场中的减阻率、增效率、平均剪应力变化率的变化趋势基本一致;内流参数中的壁面平均剪应力对于减阻、增效和降噪效果的贡献最大,可通过壁面平均剪应力的变化情况来预测和判断减阻降噪效果。4.建立了一种基于试验设计与响应面的离心泵水力性能与声学性能多目标优化方法,以仿生凹坑直径d,轴向间距e,径向间距f三个参数作为设计变量,以离心泵水力效率最高和总声压级降低为响应目标,构造设计变量与多目标函数间的多元回归响应面模型。分析多目标参数间的交互作用,确定水力性能与噪声协同优化的最优参数组合,并通过数值模拟和实际试验测试对优化结果进行对比验证。结果表明:响应面方案设计合理,基于响应面法的多目标优化方法拥有较高的预测精度,能够对离心泵的水力性能和声学性能起到明显的协同提升效果;优化后的外特性曲线使得最高效率点向大流量方向偏移,有效拓宽离心泵高效工作区;在额定工况时,减阻率可达2.13%,离心泵的水力效率提升3.03个百分点,增效率δ达4.21%,总声压级下降了4.96dB,降噪率达到3.01%。

关键词：离心泵仿生叶片并行网格生成减阻降噪优化设计

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湍流激励下潜器蒙皮减阻降噪性能研究

湍流激励下潜器蒙皮减阻降噪性能研究

作者：王仲哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

潜艇是各国海洋军事力量的重要组成部分,一直以来都受到各国军事专家的关注。在新的国际形势和技术背景下,人们对于潜艇的机动性和声隐身性能提出了更高的要求,希望潜艇在高速航行时的流体阻力和辐射噪声得到更有效的控制。为适应新时... 详细信息

潜艇是各国海洋军事力量的重要组成部分,一直以来都受到各国军事专家的关注。在新的国际形势和技术背景下,人们对于潜艇的机动性和声隐身性能提出了更高的要求,希望潜艇在高速航行时的流体阻力和辐射噪声得到更有效的控制。为适应新时期的作战需求,提高潜艇的整体作战性能和生存能力,各种具有减阻降噪作用的蒙皮逐渐成为相关领域的研究热点。本文以潜器蒙皮为研究对象,分析了利用蒙皮进行潜艇湍流减阻降噪的必要性和可行性,回顾了湍流脉动以及潜器蒙皮的研究进展,设计了具有双层减振结构的潜器柔性蒙皮,并从随机振动特性和减阻降噪性能两个方面进行了深入研究。本文主要进行了以下几个方面的工作:首先,根据潜器蒙皮工作原理和特点,确定了具有双层减振结构的柔性蒙皮设计方案并对其结构进行了详细设计。蒙皮主要由柔性表面约束层和双层减振结构组成,两者的协同作用能有效降低湍流边界层的脉动压力、抑制湍流猝发现象,实现对湍流阻力和流噪声的有效控制。其次,应用Fluent软件模拟潜艇模型周围流场,求解了模型表面的脉动压力,并通过傅里叶变换求其功率谱密度;利用虚拟激励法并结合有限元软件,将所求功率谱密度作为输入分析了蒙皮结构在湍流脉动压力作用下的随机振动特性,结果表明柔性蒙皮能够有效减小壳体的随机振动变形。然后,基于流固耦合法和ANSYS有限元软件分析了潜器蒙皮的减阻降噪性能。利用ANSYS Workbench平台对蒙皮结构进行了水动力学以及声学分析,结果表明:设计的柔性蒙皮结构对湍流阻力和噪声具有良好的控制作用,其机理主要是柔性表面随脉动压力的变形和双层减振结构对于湍流脉动的衰减作用降低了湍流强度,最终使流动阻力减小、湍流噪声减弱。最后,研究了主要设计参数对蒙皮性能影响规律。通过调整模型的参数设置,对不同设计参数下蒙皮性能进行了研究,总结了各参数对蒙皮性能影响规律:材料阻尼的增大可以改善蒙皮减阻降噪性能,对低频降噪性能的改善尤为明显;弹性模量增大会使蒙皮整体性能下降;中间质量对于蒙皮减阻降噪性能影响不大,但较大的质量有利于提高系统稳定性。本文设计了一种具有双层减振结构的潜器柔性蒙皮,基于有限元软件和流固耦合法对其减阻降噪性能进行了研究,并探索了各项设计参数对蒙皮性能的影响,此项工作可以为以后潜艇蒙皮的设计提供参考。

关键词：湍流脉动潜器蒙皮减阻降噪流固耦合

水液压马达关键摩擦副非光滑表面减阻降噪研究

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水液压马达关键摩擦副非光滑表面减阻降噪研究

作者：傅祺杭州电子科技大学

学位级别：硕士

为了适应日益提高的环保要求,以海、淡水为工作介质的水液压传动技术成为液压技术重要的发展方向。水液压马达作为水压传动中的重要执行元件,由于水的润滑性能差和气化压力高等理化特性,使得水液压马达更容易发生摩擦磨损和振动噪声。... 详细信息

为了适应日益提高的环保要求,以海、淡水为工作介质的水液压传动技术成为液压技术重要的发展方向。水液压马达作为水压传动中的重要执行元件,由于水的润滑性能差和气化压力高等理化特性,使得水液压马达更容易发生摩擦磨损和振动噪声。针对这一问题,本文将柱塞外壁面和配流体端面设计为非光滑表面,并做了如下研究。首先,根据摩擦学和动力学分析原理对水液压马达的摩擦磨损及振动噪声的产生机理进行分析。分析结果表明水液压马达的摩擦磨损和振动噪声主要发生在柱塞副和配流度这两大摩擦副之间,如何改善摩擦副间隙的润滑状态是实现减阻降噪的关键。然后,通过受力分析建立了柱塞副的受力模型,为分析柱塞副摩擦力的大小提供了理论依据。在柱塞壁面设计了圆柱凹坑非光滑表面,并根据柱塞的实际工况建立光滑表面和非光滑表面的柱塞副瞬态动力学分析模型。瞬态动力学模拟结果表明非光滑表面使得柱塞壁面摩擦应力分布更加均匀。接着,根据配流副制作了简化的摩擦副试样,并在配流体试样端面设计了三种不同凹坑类型(半球凹坑、三棱柱凹坑和椭球凹坑)的非光滑表面。将试样在海水润滑条件下进行了摩擦磨损实验。实验结果表明,表面凹坑可以捕捉摩擦产生磨粒,减少磨粒磨损和粘着磨损。不同凹坑类型对试样摩擦磨损影响不同,其中椭球凹坑的耐磨效果最佳。同时根据试样模型建立了瞬态动力学分析模型,模拟结果表明凹坑边缘附近会出现应力集中。最后,为进一步探究非光滑表面的减阻降噪机理,建立了充分润滑状态下摩擦副间隙的水膜模型,借助ANSYS对摩擦副间隙的流场、声场以及流固耦合问题进行数值模拟。模拟结果表明非光滑表面可以改善表面压力分布,提升水膜承载力和稳定性从而起到减阻降噪的效果。

关键词：水液压马达非光滑表面配流副柱塞副减阻降噪