计及气固耦合声辐射理论与应用研究

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1、华中科技大学博士学位论文计及气固耦合声辐射理论与应用研究姓名：李林凌申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：黄其柏20050427摘要噪声主要包括气动噪声和结构噪声。气动噪声是由直接作用在流体上的振动力产生。影响气动噪声的一个重要因素就是气体与固体相互作用——气固耦合，诱发声辐射。分析气固耦合问题发现，在描述耦合系统的运动方程组中同时包含了描述气体域、结构域的某些变量，且在相互作用界面上的气体力和结构位移都是未知的，因此无法通过显式消去气体变量或结构变量的方式对气体域或结构域单独求解，而只能在求解整个系统后，才可给出解答。也只有耦合振动问题得到了圆满

2、的解答，才能更系统、更直观地研究结构振动及其周围气流场的情况，探索气动噪声、结构噪声产生的内部机理，掌握影响这些噪声产生的主要因素，更合理的控制噪声污染。本文首先研究薄板结构在不同媒质中的振动与声辐射特性。根据薄板结构及其周围媒质的形状特点采用等参单元离散结构，用Galerkin法计算媒质内任意点的压力，建立媒质与薄板相互作用方程。通过数值计算、实验研究，对比薄板在不同媒质中的模态。对薄板结构的模态，揭示了理论计算与实验测试结果之间差别的原因，以及薄板结构在不同媒质中固有频率、声辐射的普遍规律。该规律为研究具有复杂形状的风机叶片的频率特性积累经验。在研究风机

3、叶片的频率特性时，运用虚质量方法分析风机叶片与周围媒质耦合过程。采用具有良好稳定性的威尔逊——θ法求解耦合方程。并用模态分析理论对风机叶片颤振、声辐射特点等进行分析，探讨风机叶片气固耦合特性。通过这部分的研究，可进一步研究因叶片气固耦合诱发声辐射对风机叶片周期噪声、宽带噪声的影响规律。满足风机主要性能的前提条件下，研究风机叶片周期噪声、宽带噪声。根据风机叶片的构型原理，运用运动声源产生声场的特点，同时考虑叶片气固耦合、非线性脉动升力的影响，推导出了计及气固耦合诱发声辐射影响的叶片周期噪声、宽带噪声模型。研究了这种声辐射对风机叶片周期噪声、宽带噪声的影响大小，

4、周期噪声、宽带噪声的频域特性，及在不同构型参数（叶片数、风机转速、攻角、叶片展向半径、叶片截面等）变化的情况下，模拟风机叶片噪声的变化规律。这些规律可用于风机低噪声设计阶段及噪声值的预测。在前面各章理论研究的基础上，针对嵌入式空调室内机的结构特点，运用结构声辐射控制理论，对室内机进行噪声控制。首先运用分步运转、频谱分析等方法判断出主要噪声源，然后保证室内机其它性能在允许变动范围内，采用穿孔结构导流装置实施噪声控制方案，并对降噪结果进行Zwicker理论评价。实践表明，所采用的噪声控I制方法是有效的。薄板的广泛应用，为更好研究薄板结构与周围媒质相互作用特性提供

5、广阔空间。在消声管道系统中，消声器结构多为圆柱形薄板结构。消声器内部气流速度、噪声源特性、气流成分都会影响消声器实现消声功能。根据管道内流体的科里奥利（Corialis）惯性力现象，考虑气固耦合诱发的声辐射，利用Hamilton原理和变分原理推导出两端简支排气管道耦合振动方程。求解耦合方程，研究消声管道气固耦合频率特性，并通过实验研究消声管道在特殊环境下的气固耦合频率特性，为充分发挥消声器的消声特性积累经验。消声管道气固耦合的研究在满足汽车排气管道主要性能的前提下进行，为了更好的研究气固耦合诱发声辐射，通过有限容积法，建立了消声器消声性能的评价指标的模型（传

6、递损失模型、插入损失模型、压力损失模型）。用开发的《汽车排气系统CAD/CAE》计算满足评价指标的排气系统。根据气固耦合声辐射影响因素修改排气系统结构参数。为企业解决消声器优化设计、消声器试制提供重要的理论指导。关键词：气动噪声气固耦合声辐射风机叶片噪声模型消声器IIAbstractNoiseisincludedaerodynamicnoiseandstructurenoise.Thevibrationforceactingonthefluiddirectlycomesintobeingtheaerodynamicnoise.Oneoftheimportan

7、tfactorsaffectingtheaerodynamicnoiseistheresultoftheinteractionofthegasandstructurecalledgas-structurecoupling，inducingsoundradiation.Thephenomenonisthattheequationofmotiondescribingcouplingsystemisincludedsomevariabledescribingthegasfieldandthestructurefieldwhenthequestionisresear

8、ched.Atthesametime,thegasf