管道伴流聲場問題計算的無網(wǎng)格-半解析耦合方法研究項目摘要

無網(wǎng)格方法是近年來國內(nèi)外學術(shù)界及工程領(lǐng)域的研究熱點，被廣泛應用于固體力學，動力學以及流體力學的研究，在聲學的應用較少。管道聲學是一種常見的工程問題，研究噪聲在管道流動介質(zhì)中的傳播和衰減特性是聲學設(shè)計和噪聲控制的基礎(chǔ)。本課題使用無網(wǎng)格方法研究管道伴流聲場特性，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點或填充材料的不同將管道劃分成不同子域，使用二維無網(wǎng)格法和模態(tài)匹配法結(jié)合形成半解析方法求解規(guī)則結(jié)構(gòu)子域聲場，采用三維徑向點插值配點型無網(wǎng)格方法求解不規(guī)則結(jié)構(gòu)子域聲場。探索無網(wǎng)格形參函數(shù)、配點方案以及導數(shù)邊界條件的處理技術(shù)對管道伴流聲場計算精度的影響，實現(xiàn)無網(wǎng)格-半解析耦合技術(shù)研究不規(guī)則管道三維伴流聲場特性的目標，為無網(wǎng)格法在管道聲學領(lǐng)域的廣泛應用奠定基礎(chǔ)。

為克服網(wǎng)格化方法的缺點，無網(wǎng)格方法近年來得以快速發(fā)展。將無網(wǎng)格方法用于船用管道消聲裝置的三維伴流聲場計算，將其與解析方法匹配形成半解析方法，進而與數(shù)值方法耦合求解復雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的伴流聲場問題，研究該方法與有網(wǎng)格方法相比在計算速度和精度上的優(yōu)缺點，是一項具有現(xiàn)實意義的課題。 課題使用二維無網(wǎng)格法求解消聲器的橫向模態(tài)，研究了強式無網(wǎng)格方法和全局弱式無網(wǎng)格方法求解橫向模態(tài)的應用特點，分析了支持域尺寸和基函數(shù)形狀參數(shù)對計算精度的影響。研究結(jié)果表明當支持域尺寸大于2.5倍 時，形狀參數(shù) 在2-3.5之間取值時，計算得到的本征值精度較高。應用無網(wǎng)格-模態(tài)匹配耦合方法計算并分析了典型結(jié)構(gòu)消聲器的聲學性能。將耦合方法計算結(jié)果分別與三維有限元法計算結(jié)果以及實驗測量結(jié)果進行對比，驗證了耦合方法以及計算程序的正確性。比較了耦合方法和三維有限元方法的計算時間，證明了本項目提出的耦合方法的優(yōu)越性。開發(fā)了計算簡單膨脹腔消聲器傳遞損失的三維無網(wǎng)格程序，分析了背景網(wǎng)格對計算精度和計算速度的影響，當背景網(wǎng)格中的節(jié)點數(shù)不少于場節(jié)點數(shù)的三分之一時，即可滿足計算精度。對于復雜結(jié)構(gòu)消聲器，提出了基于子域劃分的耦合處理方法。將復雜結(jié)構(gòu)消聲器劃分成幾個子域，對于橫截面沿軸線方向均勻一致的子域結(jié)構(gòu)采用無網(wǎng)格-模態(tài)匹配耦合方法求解其傳遞矩陣，對于橫截面沿軸向方向不一致的子域結(jié)構(gòu)利用三維無網(wǎng)格方法求解其傳遞矩陣，利用各個子域在公共交界面上的連續(xù)性條件，求解消聲器的整體傳遞矩陣，進而計算得到其傳遞損失。使用耦合處理方法計算雙腔結(jié)構(gòu)消聲器的傳遞損失，并且與三維有限元計算結(jié)果進行對比，驗證了該方法的正確性。 為了驗證本文所提出的無網(wǎng)格—模態(tài)匹配耦合方法預測消聲器聲學性能的正確性，利用兩負載法測量了無流狀態(tài)下兩種穿孔管消聲器的傳遞損失，實驗測量結(jié)果與本項目耦合方法計算結(jié)果吻合良好，表明本項目所開發(fā)的無網(wǎng)格--模態(tài)匹配耦合方法預測程序是正確的。 2100433B

以薄板和薄殼及其組合結(jié)構(gòu)為代表的薄壁類結(jié)構(gòu)，是使用最廣泛的一類結(jié)構(gòu)，也是聲振耦合最強烈的一類結(jié)構(gòu)。本項目的主要研究內(nèi)容為：（1）板殼及其復合結(jié)構(gòu)聲阻抗邊界條件的建模，探索便捷、合理的邊界條件建模方法。（2）板殼類結(jié)構(gòu)－聲耦合系統(tǒng)的中頻計算方法研究。主要進行兩方面探索：（i）WBM研究振動聲問題；（ii）混合FEM－WBM分析振動聲問題。在實際計算中，探索這些方法與頻移變換技術(shù)和快速多極邊界元法的結(jié)合。（3）板殼類結(jié)構(gòu)－聲耦合問題中的特殊困難，如某些板殼結(jié)構(gòu)沒有明確的低頻和中頻特征、板殼結(jié)構(gòu)存在大量的同頻模態(tài)群等；（4）探索模型的不確定因素及其對離散和計算結(jié)果的評價方法。這些問題都是該領(lǐng)域的前沿課題。本項目的研究和結(jié)果，將推動建立板殼類結(jié)構(gòu)－聲耦合系統(tǒng)的有效分析計算方法，獲得一些新現(xiàn)象和新規(guī)律，為噪聲控制系統(tǒng)和其它相關(guān)結(jié)構(gòu)聲學系統(tǒng)的設(shè)計、應用提供理論和技術(shù)支撐。 2100433B

深水管線流固耦合問題在海洋工程中廣泛存在，由于管線細長和受彈性支撐，管線會發(fā)生柔性變形，在不同水深流動區(qū)域會激發(fā)不同模態(tài)的渦激振動現(xiàn)象，海底管線附近海床在復雜流場作用下會發(fā)生陶蝕現(xiàn)象，從而形成復雜的流體力學問題，是深海海洋工程極為關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本項目利用申請人及合作者提出的多重網(wǎng)格虛擬邊界法，結(jié)合ALE方法、移動網(wǎng)格和分塊并行技術(shù)，構(gòu)建一個新的數(shù)值方法：流體-固體流場統(tǒng)一法，數(shù)值模擬典型的深水管線流固耦合問題，包括復雜形狀管線渦激振動和鎖定現(xiàn)象、管線柔性變形與流場相互作用、海底管線柔性變形與周圍復雜流場相互作用等，為新型深水海洋平臺和海底管線的設(shè)計、施工、運行與監(jiān)測提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時，還可以為其它相似的流固耦合問題(如螺旋槳和渦輪機葉片的振動現(xiàn)象)的機理探討，模型構(gòu)建和數(shù)值分析提供新的可借鑒的數(shù)值方法。本項目研究對豐富流固耦合理論和計算流體力學的發(fā)展都有重要意義。

流固耦合傳熱緊耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等開發(fā)了將流體及固體內(nèi)所有物理過程進行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計算結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計算需要消耗大量的計算資源，難以用于解決實際復雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認為在計算時間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對于絕大多說不能通過準穩(wěn)態(tài)處理直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題的瞬態(tài)問題，有些研究者主張保留耦合的非穩(wěn)態(tài)特性，提出各部分分別進行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動網(wǎng)格等方式進行實時信息交互的瞬態(tài)松耦合傳熱問題的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等針對高超聲速流中固體表面帶輻射及燒蝕相變過程的流固耦合強制對流傳熱問題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導熱、輻射及燒蝕相變過程分別進行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，直至迭代收斂。Lohner 等針對飛機氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問題，將流體 Navier-Stokes 方程及固體導熱和應變方程分別求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時利用固體應變方程的計算結(jié)果修正流體耦合邊界位置和速度邊界條件，直至迭代收斂。

流固耦合傳熱松耦合

有些研究者提出了基于準穩(wěn)態(tài)流場的松耦合算法，即近似認為在整個流固耦合傳熱過程中，流場處于若干個準穩(wěn)態(tài)，每一個準穩(wěn)態(tài)的流場都使用穩(wěn)態(tài) Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos結(jié)合二維邊界單元法和高超聲速計算流體力學( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超聲速流與機翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進行穩(wěn)態(tài)流場計算與固體燒蝕和瞬態(tài)導熱的松耦合算法計算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B