旋涡声散射特性的尺度效应数值研究

以声波为主要表现形式的膨胀过程和以旋涡为主要表现形式的剪切过程之间的非线性耦合问题一直以来都是流体力学的研究热点.尤其是旋涡对声波的散射问题,具有重要的科学意义与工程应用背景.本文通过线性紧致格式直接数值求解二维欧拉方程,获得了平面声波穿过均熵Taylor涡的散射特性.与之前经典文献中的标准算例比较,结果极其吻合,直接验证了研究所采用的高精度高分辨率空间差分和时间推进格式以及远场无反射边界条件(缓冲区)的计算方法在时域同时解析动力学量和声学量(量级远远小于动力学量)的有效性.通过引入散射截面,将全区域的散射分为长波近似区、共振散射区和几何声学区.针对每个子区域,重点分析了无量纲尺度量旋涡强度和长度尺度比对散射声场的影响,给出了散射声场关于上述两个关键无量纲参数的尺度律关系,并且得到了极低马赫数极大波长时散射声场的分布函数.在此基础上给出了关于旋涡声散射物理机制的一种解释.     

矢量气动声学的理论研究进展及应用

气动声学的声比拟理论以密度、声压等标量为波动算子变量,建立非齐次波动方程,描述流体运动及与边界作用诱发声音的辐射,但标量无法直接描述声能量的传播过程和途径.在流体力学研究中,标量用于描述当前当地的物质状态,而矢量用于描述质量和能量的传输.借鉴上述思想,开展了矢量气动声学的研究,概述矢量气动声学的理论研究进展及应用,主要包括:（1）以声粒子速度为变量,采用声比拟理论的思想直接从Navier-Stokes方程出发推导建立了气动声学的矢量波动方程及两种频域解;（2）综合利用声压和声粒子速度的积分解,直接求解声源周围的瞬时和有功声强矢量场,直观显示声能量的传播途径,应用于旋转声源辐射声能量的传播分析,揭示了亚音速旋转声源辐射声能量的3种传播模式:螺旋模式、声学黑洞模式和R-A模式;（3）采用球谐级数展开方法建立旋转点/紧凑声源辐射噪声的声压和声粒子速度的频域解析解,在此基础上推导了声功率谱的频域解析解,建立了识别旋转叶片声源在空间域和频域分布特征的方法;（4）综合利用矢量气动声学方法和等效源方法,显示声源和散射边界周围声强矢量场的分布特征和能量传播途径,直接揭示了阻抗边界主要的吸声位置以及直接计算得到阻抗边界的吸收声功率.      

水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究

水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义.针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法,探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性.首先,基于运动介质的波动方程,通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项,并对流声耦合项进行频域分析处理,揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理;其次,采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟,分析了低马赫数条件下,不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律,并结合理论分析模型对其特性进行了解释.研究表明:低马赫数下,振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场,且随着入射声波频率、涡核尺度的增大,散射调制声场强度增强,总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣,且主瓣方位角趋近于入射波传播方向;在频率比远大于1条件下,涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.     

一种预测扩散声场在非规则形状刚性壁面附近干涉图样的方法

扩散声场会在反射边界附近形成干涉图样,研究方法包括平面波模型、简正模态分析、渐进模态分析等,但仅适用于尺度远大于声波波长的矩形声腔。提出一种预测扩散声场在非规则刚性壁面结构附近形成的干涉图样的数值方法,表明结构附近“受挡”声压的互谱矩阵取决于:(1)假定该结构在自由空间中振动辐射声音时其表面法向振速到表面及场点声压的边界元系数矩阵;(2)假定结构置于自由空间中且表面刚性时,点声源辐射声波入射到结构表面上产生的散射声场的边界元系数矩阵;(3)扩散声场均方声压。仿真表明,该途径预测的干涉图样与理论值完全吻合。该预测方法还可用于混响环境下声源附近直达声压均方值的空间分布估计,为混响环境下设备的声源定位提供帮助。      

旋转声源辐射噪声的矢量声学研究方法

通过采用频域方法直接求解旋转声源辐射噪声的声压和声粒子速度矢量,建立了旋转声源辐射噪声的矢量声学研究方法。该方法的最大优势在于提供了一种直观、形象的方法显示声能量的传播途径。基于该方法分别分析了旋转声源在自由空间和边界散射情形下的声能量传播特征。     

格子Boltzmann方法应用于气动声学研究

应用格子Boltzmann方法(LBM)对不同类型的气动声学问题进行数值研究.通过模拟一维平面声波和二维点源声波的传播,得到沿传播方向的声压脉动,其振荡幅值和衰减趋势与理论值相吻合.其次进行声波衍射和干涉现象的数值模拟.最后,模拟处于流场中运动声源辐射声场的多普勒效应.模拟结果说明LBM方法能较好地模拟低马赫数下的声学问题,包括声压脉动的传播,声波的波动特性以及流动与声波间的相互作用.     

环形稀疏声源阵列声涡旋的优化与操控

提出和优化了环形稀疏声源阵列涡旋声场的形成方法,进行了涡旋声压,相位和振动速度的理论推导和特性分析。通过改变声源数、声源频率和观测距离等参数,对声涡旋场的模拟结果证明,声涡旋半径主要由信号波长决定,声源频率越高,声涡旋半径越小,能量越集中;涡旋声压随着声源数的增加而线性提高,随着传播距离的增加而减小;声涡旋环形相位分布的线性度随着声源数、声源波长和传播距离的增加而提高。建立了3/4/6/8声源实验系统,径向声压和相位分布以及环形相位分布的测量结果和模拟结果具有较好的一致性,同时悬吊泡沫盘的旋转证明了声涡旋角动量的传输。本研究中声涡旋场的特性分析和参数优化为粒子操控及其在生物医学中的应用提供了依据。      

具有旋涡的翼型绕流辐射声场的数值研究

本文运用面无法和涡声理论数值来研究具有旋涡的ＮＡＳＡＧＡ（Ｗ）－１型翼型绕流的流场和辐射声场，这对于提高透平机械的效率及降低辐射噪声很有帮助。采用作者积累的关于面无法的一些计算技巧，首先成功地求解了不同攻角来流时的流场，再用涡声理论计算了涡旋绕过翼型时声压场的变化及声源的指向性，最后给出了有关这种流动噪声的发声机理和声源特性的一些有用的结论。     

非线性声场中的参量激发

本文基于求解单频声波方程近似解的方法,得到了非线性声场中谐波的声压与介质性质、初始声压幅值及频率之间的定量关系.并对两列相对声压幅值和相对频率不同情况下的声场分布进行了研究.通过分析单、双频声源辐射场中的谐波分布和传播规律发现:在非线性声场中会不断地出现新的谐波,激发的各阶谐波随着声波传播距离的增大逐渐增强而后减弱.在声源的附近,谐波的声压随基波声压振幅的增大而增大;但在基波的频率增大时反而会减小.在输入总声能相同的情况下,与单频声场相比双频声源辐射场的声能量分布较均匀,声的传播距离较大,远场中的谐波含量较大.结果表明,基波的频率越高,衰减得越快,谐波的积累越缓慢;声压的极值越大,基波声能量转移得越多,产生的谐波越多,基波的衰减越快,声压对远场声能的负效应增大;如果改用多频声源,并适当地控制输入声波的组成成分,可以达到改善声场分布均匀性、增大声辐射距离的效果.     

声波扰动对大气湍流内外尺度与折射率功率谱函数的影响分析

声波是一种机械波,作为能量的载体,在大气湍流环境下传输会“扰动”湍流耗散率的变化,从而会影响湍流物理结构演化.本文基于声波能量和湍流能量平衡方程,结合湍流内外尺度和大气折射率功率谱函数,研究了在不同声波扰动下大气湍流的内外尺度和折射率功率谱函数的变化特征.结果表明:不同声波的传播会使得湍流的内外尺度发生变化,声源功率越大,对湍流尺度的影响越大,然而声源频率越大,对湍流尺度的影响并不是特别明显;不同声波的传播会使大气折射率功率谱函数发生改变,在惯性区内,考虑到声波对湍流内外尺度的影响,不同声源对大气折射率功率谱的影响程度不同,在耗散区内,大气折射率功率谱都出现随声波传输距离波动的情况.本文探索声波扰动对大气湍流折射率功率谱函数特征参数的变化规律,为激光在声波扰动大气湍流中传输特性以及声光耦合研究提供理论依据.     

浓悬浮体中多次散射对声波能量传输的影响

本文应用类似于光学中的传输问题建立起声波传输方程,用以解决声波在浓悬浮体中传播时考虑了微粒间的多次散射后声波能量的透射和反射问题。该方法较目前声学中采用的处理方法简捷,所依据的物理图像清晰,适用于粒子线度与波长的比为任意值的情况。本文还以刚性球形悬浮粒子为例,计算了声波的透射和反射与程长的关系,得出在浓度不太大时(散射系数×程长<0.256),当ka<1时不考虑多次散射不会产生很大误差,ka=3时,由于多次散射影响,散射系数减小5％,ka=5时散射系数减小14％。浓度增大时散射系数逐渐减小。此外还讨论了微粒线度分布、声接收器后部悬浮体的散射等对声能传递的影响。     

声边界层外非线性声流旋涡的理论及数值模拟

非线性声流旋涡在加速热、质传输过程和清除固体表面积灰等方面具有显著的优势。为探究换热管声边界层外非线性声流旋涡的流场特性,采用Nyborg极限滑移速度法数值模拟了平面驻波声场和行波场中二维换热管周围的非线性声流现象。与经典Rayleigh声流的解析解对比,验证了数值方法的可行性。数值计算表明,在驻波场中,换热管处于声压波节和声压波腹位置时,换热管外分别呈现出4个和8个轴对称分布的声流旋涡结构;当换热管偏离声压波节或声压波腹位置时,换热管外的声流旋涡结构不再呈轴对称分布。滑移速度分布的波峰和波腹总个数决定了声流旋涡的个数。在行波场中,声流旋涡的流场特性与声波频率f和声压级L呈现出强的非线性依赖关系,声流强度满足：U_{2 max}=6.95388e^-72L^33.50669f^-0.98828。     

陆架斜坡海域上坡波导环境中声能量急剧下降现象及其定量分析

深度较浅的声源其辐射声波在陆架斜坡海域上坡传播时,在斜坡顶端会出现声能量急剧下降现象.利用射线声学模型分析了造成这一现象的原因,并根据抛物方程声场模型计算的深海和浅海平均传播损失定义了"声能量急剧下降距离",定量分析了声源位置对该现象的影响.结果表明:声源深度对"声能量急剧下降距离"影响较大,而声源与斜坡底端水平距离对其影响较小;当声源深度变大时,部分掠射角较小的声线最终能够达到斜坡顶端,致使"声能量急剧下降距离"增大,继续增加声源深度,将导致上坡声能量急剧下降现象消失.利用抛物方程声场模型对陆架斜坡海域上坡声传播进行数值仿真,结合"声能量急剧下降距离"的定义,计算并比较了声源位置不同时该距离的变化,数值计算结果验证了理论分析.     

水下涡流场前向声散射特性分析

研究水下涡声散射特性,在目标探测和流场声成像领域具有重要意义。针对水下低马赫数涡流场前向声散射建立了数值计算方法,探究了其形态函数和指向性。首先,基于摄动声学理论给出了考虑流声耦合作用的涡声散射模型,采用时域有限差分结合完美匹配层构建了数值求解方法;随后,在算法验证的基础上,预报分析了高斯涡涡核尺寸在1~10 m,同时入射平面波无量纲波数在1~10范围内,涡流场强度对前向声散射特性的影响。结果表明,低马赫数下,声散射场具有对称性,且有明显的主瓣和指向性。其前向散射形态函数随入射波波数、涡核尺寸、涡流场强度增加而增大;主瓣方位角随波数增加而趋近入射波传播方向。      

水下涡流场前向声散射特性分析

研究水下涡声散射特性,在目标探测和流场声成像领域具有重要意义。针对水下低马赫数涡流场前向声散射建立了数值计算方法,探究了其形态函数和指向性。首先,基于摄动声学理论给出了考虑流声耦合作用的涡声散射模型,采用时域有限差分结合完美匹配层构建了数值求解方法;随后,在算法验证的基础上,预报分析了高斯涡涡核尺寸在1～10 m,同时入射平面波无量纲波数在1～10范围内,涡流场强度对前向声散射特性的影响。结果表明,低马赫数下,声散射场具有对称性,且有明显的主瓣和指向性。其前向散射形态函数随入射波波数、涡核尺寸、涡流场强度增加而增大;主瓣方位角随波数增加而趋近入射波传播方向。     

可压缩涡流场中空泡运动规律及声辐射特性研究

基于可压缩流体力学基本理论, 通过边界积分方程, 采用不同表面压力模型, 求解空泡在计及可压缩性的涡流场中的运动规律; 通过表面离散及坐标变换, 采用Kirchhoff动边界积分方程, 将空泡表面视为运动变形边界, 作为直接噪声源, 获得涡流场中空泡运动产生的时域声压分布; 分析了涡流场参数对空泡运动规律及声辐射特性的影响. 研究结果表明: 计及流场可压缩性, 空泡的脉动幅度会随时间减弱, 辐射声压幅值随之减小; 空泡在涡流场中会发生延展、 颈缩、 撕裂, 并在撕裂后子空泡中形成射流; 当流场中的压力减小时, 空泡运动过程中的最大半径与撕裂前的最大长度逐渐增加, 且当流场中压力较小时, 空泡撕裂时形成的子空泡增多; 空泡辐射声压的指向性较弱, 撕裂会使辐射声压产生突变, 形成极大峰值; 随着涡通量的增大或空泡数的减小, 空泡脉动周期及其诱导的辐射声压波动周期随之延长, 辐射声压峰值逐渐滞后并减小. 本文结果旨在为涡流场中空泡运动规律及声辐射特性的相关研究提供参考. 关键词： 可压缩 涡流场 空泡 声辐射     

扩压叶栅叶顶间隙流动结构研究

本文对某扩压叶栅叶顶间隙流动结构进行了研究,通过三维数值仿真,对叶顶间隙流场中的旋涡结构构成、空间分布及相互作用关系进行了分析.研究采用Q判据识别流场中的涡,发现叶顶间隙气流的泄漏流动形成了叶尖分离涡、二次涡以及泄漏涡等旋涡结构,其空间位置及空间尺度具有明显差别。叶尖分离涡的堵塞作用对泄漏涡的强度、空间位置造成影响;在叶顶泄漏流动与泄漏涡的共同作用下形成了叶尖二次涡。涡系间存在的相互作用共同构成了叶顶间隙流场框架。     

东印度洋热带偶极子对声会聚区影响分析

大洋中的物理海洋现象影响着水体的变化,从而对其中的声波传播产生重要的影响.首次在东印度洋海域进行的声学调查实验,发现了印度洋热带偶极子物理海洋现象对声传播的影响,利用穿越热带偶极子的声传播实验数据,分析了声源深度和水体起伏对深海会聚区的影响,并对实验中的声传播现象形成机理进行了理论解释.结果表明:东印度洋深海非完全声道环境下,受热带偶极子形成暖水团和声源深度起伏的影响,第2会聚区没有形成,声源深度变深时,更容易形成深海会聚区;印度洋热带偶极子影响下第2会聚区位置处的水体跃层起伏会对下一个会聚区的形成及位置产生重要影响,使得第3会聚区提前形成,会聚区位置向声源方向偏移2—3 km.研究结果对探测及通信声纳在深海复杂环境下应用具有重要指导意义.     

旋转运动点声源近场声学频域解

本文在任意运动点源声辐射频域解基础上，得到旋转运动声源近场声学的一个近似解。如果旋转半径相对于场声波是紧致的，此解就可以表示为在远场解基础上叠加三项近场修正项。根据此解，本文得到适合于近场的自由空间Ｇｒｅｅｎ函数，由此讨论了声源旋转导致的声场方向性特征，研究了声源位置及源频率以及旋转频率等对近场声学结构的影响。     

声子晶体的负折射

通过对声子晶体负折射的实验和理论进行梳理,提出可以通过从对称性角度理解声波在周期性结构中的散射,来理解声学负折射现象的物理机制.在此启发下,本文继而运用有限元模拟,通过改变背景介质的声学常数,成功展示了声波在声子晶体中的负折射现象.