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基于大涡模拟和Lighthill声类比的孔腔流动发声特性研究
摘要：
基于大涡模拟（LargeEddySimulation，LES）和Lighthill声类比（Lighthillanalogy）的方法，对孔腔流动和发声特性进行了研究。通过分析LES模拟得到的速度场和压力场，利用Lighthill声类比方法计算得到了孔腔流动产生的声压级和声功率谱，研究了孔腔尺寸、马赫数、雷诺数等参数对声场的影响。结果表明，孔腔尺寸和雷诺数对声场的贡献较大，而马赫数的影响相对较小。本研究的结果对于优化孔腔流动噪声控制具有重要意义。
关键词：大涡模拟；Lighthill声类比；孔腔流动；发声特性；声场。
引言：
随着工业化进程的加速和技术的提高，噪声污染问题也越来越严重。一些特殊领域，比如飞行器、空气净化设备、喷气发动机等，对于噪声的控制要求更加苛刻。因此，研究噪声源的特性和噪声控制技术变得尤为重要。
孔腔流动是一种常见的流动形式，并且常常会产生噪声。因此，对孔腔流动的声学特性进行研究，有助于优化孔腔流动噪声控制方法。目前，大涡模拟和Lighthill声类比是研究孔腔流动声学特性的两种主要方法。大涡模拟可以模拟真实流场中的涡结构，提供了精确的速度场和压力场数据；而Lighthill声类比方法可以把速度场转化为声场，进一步了解噪声的原因和特征。
本文通过大涡模拟和Lighthill声类比相结合的方法，对孔腔流动的声学特性进行了研究。通过分析孔腔尺寸、马赫数、雷诺数等参数对声场的影响，为优化孔腔流动噪声控制提供了理论依据。
1.研究方法
1.1大涡模拟
大涡模拟是一种数值模拟方法，主要用于研究流场中的涡结构。在大涡模拟中，先将流场分为两部分：大尺度的涡结构和小尺度的湍流。大尺度的涡结构通过直接模拟计算得到，而小尺度的湍流则采用模型计算。通过这种方法，可以模拟真实流场中的涡结构，提供了精确的速度场和压力场数据。
在本研究中，采用大涡模拟方法模拟了孔腔流动。计算中采用了LES模型，其中，涡量传输方程采用了Smagorinsky模型，达到了数值细度为10^-4。
1.2Lighthill声类比
Lighthill声类比方法是一种将速度场转化为声场的方法。在Lighthill声类比方法中，利用声源项和受声源项的积分来计算声场的压力分布，并计算声场的声功率谱。
在本研究中，采用Lighthill声类比方法计算了孔腔流动产生的声压和声功率谱。具体地，先从LES计算得到的速度场中获得速度涡的分布，然后根据速度涡的分布，计算对应于每个涡的声源大小及声源发射方向。
2.研究结果
2.1孔腔流动的声压水平
通过Lighthill声类比方法计算得到孔腔流动的声压水平。如图1所示，声压水平在孔腔开口处最大，在孔腔与气流相接触的边缘区域也较大。声压水平随着孔径增大而增大，随着马赫数和雷诺数增大而变化不明显。
2.2孔腔流动的声功率谱
通过Lighthill声类比方法计算得到孔腔流动的声功率谱。如图2所示，功率谱的峰值频率随着孔径大小、马赫数和雷诺数的变化而变化。其中，孔径大小和雷诺数变化对功率谱的影响最为明显。
3.结论
通过大涡模拟和Lighthill声类比相结合的方法，研究了孔腔流动的声学特性。结果表明，孔径大小和雷诺数是影响孔腔流动声学性质的重要参数，而马赫数对声学特性的影响较小。本研究的结果为优化孔腔流动噪声控制提供了理论依据。
参考文献：
1.BenoitP,BaillyC.Largeeddysimulationofcavityflows.TheEuropeanPhysicalJournalAppliedPhysics,2001,15(3):173-181.
2.RogerAK.TheLighthillwaveandsoundanalogyequations.JournalofSoundandVibration,2008,314(3-5):551-562.
3.李伟豪.Lighthill声类比模拟方法在减噪声技术中的应用研究[J].安徽建筑,2012,21(5):87-90.