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适用于高声强正入射声波的非线性声阻模型,李晓东,陈超,使用基于计算气动声学方法的高精度DNS求解器,求解在高声强正入射声波条件下标准共振腔的声学响应。通过数值模拟得到的微孔共振腔�
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˖ڍመڙጲ
http://www.paper.edu.cn
适用于高声强正入射声波的非线性声阻模型
李晓东
1
,陈超
1
,徐珺
2
1
北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京 100191
2
中国航发商用航空发动机有限责任公司设计研发中心,上海 201108
摘要:使用基于计算气动声学方法的高精度DNS求解器,求解在高声强正入射声波条件下标准
共振腔的声学响应。通过数值模拟得到的微孔共振腔腔口处法向均方根速度和非线性声阻之间
的相互关系,建立了不依赖于数值模拟及实验的非线性声阻预测模型。结合已有的线性声阻抗
模型对实际声衬的声阻抗进行预测,与相关实验数据进行对比,结果表明在不同入射声压和来
流马赫数的情况下,本文所发展的模型具有很好的预测精度。
关键词:计算气动声学;非线性声阻抗模型;高声强
中图分类号: V231
Nonlinear Resistance Model of a Resonator
under High Intensity Normal Incoming Wave
LI Xiao-dong
1
, CHEN Chao
1
, XU Jun
2
1
School of Energy and Power Engineering , Beihang University, Beijing 100191
2
Research and Development Center, AECC Commercial Aircraft Engine CO., LTD.,
Shanghai 201108
Abstract: Numerical simulation of standard resonator is conducted by a high-order DNS
solver based on computational aeroacoustics (CAA). Through the numerical investigation of
micro flow phenomena around resonator slit, a relationship between averaged root mean
square (RMS) velocity in the slit and the reactance of resonator is found, and based on which,
a new nonlinear resistance model is then established. This nolinear resistance model is able to
accurately predict resistance introduced by high incident SPL independently and efficiently,
and with the combination to the existing linear impedance model and nonlinear resistance
model introduced by grazing flow, a full impedance model of liners could be obtained. Several
cases of resonators or liners with different incident SPL and grazing flow velocity is tested by
using this impedance model and prediction of impedance and sound absorption coefficient are
shown with good agreement with reference results.
Key words: computational aeroacoustics; nonlinear impedance model; hign intensity sound
wave
基金项目: 高等学校博士学科点专项科研基金(20131102110012)
作者简介: 李晓东(1967-),男,教授,主要研究方向:气动声学,Email: lixd@buaa.edu.cn。
- 1 -
˖ڍመڙጲ
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0 引言
声阻抗是表征声衬特性的重要手段, 因此声阻抗模型对于准确描述声衬声学特性至关重
要。 通常认为声阻抗由线 性分量和非线性分量两部分组成,而非线性声阻抗建模一直是共振
腔和声衬研究中的一道难题。高声强和切向流是导致其非线性作用的两个主要因素,目前为止
还没有基于物 理机理的非线性声阻抗模型,大部分的 模型都是依赖于大量实验结果的拟合和经
验参数匹配,大大降低了非线性声阻抗模型对物理机理本质的依赖关系,也降低了模型的普适
能力。然而声衬的基本组 成单元微孔共振腔的微孔尺度很小,声波与微孔共振腔 有着复杂的相
互作用,这极大的限制了实验研究的开展。因此采用高精度数值模拟来还原共振腔微孔附近的
流场与声场,并通过详细的数据分析,了解高声强下共振腔的非线性吸声过程,促进微孔共振
腔非线性吸声机理的理解,这将有助于声衬非线性声阻抗建模以及高效吸声声衬的设计。
本文采用计算气动声学方法对单个微孔共振腔开展高 精度数值模拟研究,通过对数值结果
的定量分析,得到微孔共 振腔腔口处法向均方根速度和非线性声阻的 相互关系,建立了更加普
适的非线性声 阻模型,并将这一模型应用于预测各种 不同工况以及不同微孔共振腔的声阻抗和
吸声系数。
1 标准微孔共振腔数值模拟研究
1.1 数值方法
本文所采用的主控方程为二维可压缩N-S方程,其无量纲守恒形式可以表示为,
∂U
∂t
+
∂E
∂x
+
∂F
∂y
−
∂E
v
∂x
−
∂F
v
∂y
= 0 (1)
其中,
U = [ρ, ρu, ρv, ρe]
T
E =
ρu, ρu
2
+ p, ρuv, (ρe + p)u
T
F =
ρv, ρuv, ρv
2
+ p, (ρe + p)v
T
E
v
= [0, τ
xx
, τ
xy
, , q
x
+ uτ
xx
+ vτ
xy
]
T
F
v
= [0, τ
yx
, τ
yy
, , q
y
+ uτ
yx
+ vτ
yy
]
T
q
i
= −
µ
(γ − 1)P rRe
∂T
∂x
i
τ
ij
=
µ
Re
∂u
i
∂x
j
+
∂u
j
∂x
i
−
2
3
∂u
k
∂x
k
δ
ij
p = (γ − 1) ρ
e −
u
2
+ v
2
2
, T =
pγ
ρ
ρ表示密度,e表示内能, q
i
表示热流量,τ
ij
表示应力张量,µ表示动力学粘度, Re为雷诺数,
P r为普朗特数。
- 2 -
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