圆柱绕流气动声的偶极子及四极子源法定量研究

上海交通大学硕士学位论文喷注噪声抑制技术研究姓名：黄磊申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：蒋伟康20090201喷注噪声抑制技术研究摘要喷注噪声是一种最常见的噪声，它是环境噪声污染的重要祸源。

随着现代工业技术的发展，在空气动力机械中，空气动力性噪声一般高于机械性噪声，而且影响范围广、危害大。

工业上大多数排气设备，诸如钢铁厂处理钢渣时用高压喷嘴吹渣，产生120分贝以上的强噪声，严重污染了车间的作业环境，影响作业人员的健康和工作效率。

因此，研究气流噪声的机理、特性，掌握它发生的规律，对抑制喷注噪声对人们的干扰和危害有重要的意义。

本文结合“马鞍山钢铁集团四钢厂风淬渣噪声治理”工程项目，以理论分析和总结前人经验为基础，采用计算仿真、试验研究、现场测试相结合的方法，对喷注噪声抑制技术展开研究，改进喷气装置。

本文内容主要包括四大部分：首先，通过总结喷注噪声的特性和机制，以及运用一系列经验公式对喷注噪声进行数值预测。

其次，从湍流声辐射的相关理论出发，对喷气器管道内流体湍动引起的湍流边界层噪声等进行机理性分析，再以流体力学为手段，以不同湍流模型为研究对象，进行比较，找出计算喷气噪声流场的最佳模型。

再次，以喷注噪声的流场分析为基础，运用流体力学手段，建立喷气器的计算模型，通过改变喷孔参数来计算分析压力场和速度场，并最终以实验来验证改进喷嘴的降噪性能。

最后，对新型喷嘴在钢铁工业中的应用进行说明。

针对生产工况下粒化钢渣时发出的强噪声进行分析研究，找出噪声源，并确定治理方案，通过现场测试对比新旧喷嘴在不同工况下噪声级的差别，验证新型喷嘴的降噪性能。

关键词：喷注噪声；喷嘴参数；湍流声辐射；流场分析；Research on Jet Noise ReductionABSTRACTJet noise is very common, and it is the most important source of environmental pollution. With the development of modern industry, aero dynamical noise is usually higher than the mechanical noise with wide range and heavy damage. Most exhausting equipment in industry such as high-pressure nozzle used in processing the steel slag will produce the strong noise of 120dB or above. This will seriously pollute the working environment of workshop and make negative effect on the health and work efficiency of workers. Therefore, to research the mechanism and character of the jet noise and to grasp the discipline is very meaningful to inhibit the interference and hazard of the noise.Combined with the project of noise reduction in Masteel, this thesis is base on the theoretical analysis and the former experience. Besides that, the thesis is focused on the research of technology in inhibiting the jet noise and improvement of the nozzle, by the means of computation simulation and experimental analysis.This thesis is composed of 4 main parts:Firstly, predicting the jet noise by concluding the character, mechanism and a series of experienced formula.Secondly, analyzing the turbulent noise caused by the flow turbulence from the turbulent sonic radiation theory; calculating the best model of jet flow by comparing different turbulent models by the means hydrodynamics.Thirdly, establishing the computation model of jet noise based on the jet flow analysis and hydrodynamics; improving the nozzle by changing the parameters of nozzle which results in the change of pressure and velocity flow; verifying the result by experiment.At last, elaborating the application of the new nozzle in industry; identifying the source of noise and making out the project; comparing the improved nozzle with the old nozzle to testify the function in noise reduction.Key words: Jet noise; Parameters of nozzle; Analysis of flow field; Turbulence sonic radiation主要符号说明c 声速/m s ρ 密度3/kg m E 杨氏弹性模量Gpa p 声压pa v 质点速度/m s λ 波长m M 马赫数f 频率Hz k 湍动能22/m s ε 耗散率23/m s W 声能dB()dB A A 计权声压级注：如正文对符号另有说明，则以正文为准上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

电线气动噪声分析与研究目录一、引言1.1气动声学概况1.2气动声学的发展二、噪声模型介绍2.1 直接模拟模型（CAA模型）2.2 噪声比拟模型（FW-H模型）2.3宽频噪声模型三、电线气动噪声模型分析与计算3.1问题描述3.2几何建模与网格划分3.3模型计算3.4结果分析与讨论四、总结与思考五、参考文献一、引言1.1气动声学概况从史前以来，人们对由流体运动而产生的声音已十分熟悉。

在空气中的声音，人们称之为气体动力声，在液体中的声音则称它为流体（水）动力声。

风吹过树枝所产生的啸声、管乐器和水壶的唿哨声以及人的口哨声等，都是普通的气体动力声源的实例。

尽管人们长期与这种不可见的声源相处在一起，可是直到第二次世界大战结束时，人们对它的了解仍然很少。

涡轮喷气式飞机和火箭，这两个世界上最大的气体动力声源的出现促使一些优秀的科学家进行了一系列关于气动声学的研究，并用了几年的时间初步建立起了气动声学领域的理论基础。

气动声学它研究的内容是流动与声的相互作用问题，重点放在研究流动及其与物体作用导致噪声产生的机理。

所包含的基本物理过程是流体中的波动、涡和声等运动之间的相互作用。

具体问题的气动噪声是多种多样的，如叶轮机械噪声、喷气噪声、螺旋桨噪声、管道噪声等。

气动噪声不仅引起环境污染，还会造成结构的疲劳和破坏。

在军事上，预防并减少噪声显得尤为突出。

所以，理解、预测并最终能控制气动噪声具有非常重要的意义。

由此可见，气动声学是介于气体力学和声学基础这两门学科之间的一门交叉性和边缘性学科。

当今国内外从事气体动力学和声学研究的工作者，都怀着很大的兴趣对气动声学进行研究，当然，研究的侧重点各有不同。

气动声学在近二三十年才获得发展，其主要原因有两个：一是由于第二次世界大战后，大型喷气式飞机问世所带来的巨大噪声污染，以及近几十年来，随着世界各国对环境保护工作的重视而不断要求降低诸如通风、空调、冷却器、汽车、高速列车等系统中出现的气动噪声污染所致。

不同偏振方向的偶极子声源在HTI地层井孔中激发声场的实验研究王瑞甲;乔文孝;鞠晓东;车小花【摘要】本文首先制作了TI地层模型井,对模型井的速度、密度等物理参数进行了测量,通过快速模拟退火算法得到了该介质的五个TI刚性系数,然后采用缩尺的偶极子探头在HTI地层井孔内进行超声测量实验模拟了实际的偶极子声波测井,并结合数值模拟的结果,研究了不同偏振方向的声源在HTI地层井孔中进行偶极子声波测井的响应特征.模拟结果表明,弯曲波的幅度和速度随声源的偏振方向不同而不同.正交分量的波形幅度在声源偏振方向平行或垂直于快横波面方位时最小,在与快横波面方位呈一定夹角时较大；同向分量波形幅度随声源的偏振方向的变化规律同正交分量相反.弯曲波速度在声源的偏振方向与快横波面方位的夹角小于30°或者大于60°时,分别接近于快弯曲波和慢弯曲波的速度,对于夹角的变化不敏感；当夹角在30°和60°之间时,弯曲波的速度对该夹角变化非常敏感,由接近快弯曲波速度快速变化到接近慢弯曲波速度.%We firstly made several TI borehole model wells, and measured the compressional, shear velocities and density of the material. The equivalent TI elastic parameters were obtained by a fast simulated annealing algorithm. Then we simulated dipole acoustic logging by ultrasonic measurement experiments in the borehole surrounded by a HTI formation using small-scale dipole transducers. Combined with numerical simulation results, the influence of the orientation of dipole sources on acoustic logging response is analyzed. The results showed that the amplitude and velocity of flexural waves changes with the orientation of dipole sources. The amplitude of cross-line waveforms gets theminimum when the orientation of dipole sources is perpendicular or parallel to the fast shear direction, and is relative large when the angle between the orientation of dipole sources and the fast shear direction is neither 90° nor 0°. The variation of inline waveform amplitude is contrary to that of the cross-line waveforms. When the angle between the orientation of dipole sources and the fast shear direction is less than 30° or greater than 60°, the velocity of the flexural waves is close to that of fast flexural waves and slow flexural waves respectively, and it is not sensitive to the angle. When the angle is between 30° and 60°, the velocity is quite sensitive to the angle, and rapidly changes from the velocity of fast flexural waves to the velocity of slow flexural waves as the angle increases.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2013(056)002【总页数】11页(P707-717)【关键词】偶极子声源;TI地层;声波测井;弯曲波【作者】王瑞甲;乔文孝;鞠晓东;车小花【作者单位】中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京102249【正文语种】中文【中图分类】P6311 引言为了能够在软地层中测得地层的横波信息，声波测井领域引入了偶极子声源[1］.偶极子声源能够在充液井孔中激发频散的偶极模式波，其中最低阶的偶极模式波称为弯曲波，其低频速度趋近于地层的横波速度.人们往往通过低频弯曲波速度的测量来获取地层的横波信息.偶极子声源为非对称声源，其特点是沿周向上辐射不均匀.对于各向异性地层，沿井轴方向传播的不同偏振方向的横波具有各向异性，对应着不同方向偏振的弯曲波的速度不同，从而可以通过弯曲波速度的测量来评价地层横波速度的各向异性[1-5］.据此，国内外研制了对应的正交偶极子声波仪器，借以评价地层声学各向异性[1，6］.地层介质中最为广泛存在的一种各向异性为横向各向同性（TI）.当TI地层的对称轴为水平方向时，该地层称作水平向横向各向同性（HTI）地层[1-2］.在TI地层进行声波测井时，一般假设井沿竖直方向，此时井轴与TI地层对称轴垂直.在HTI 地层井孔中，当偶极子声源的偏振方向与介质对称轴垂直或者平行时，不会发生横波分裂现象，测得的速度分别为快、慢弯曲波的速度；当偶极子声源偏振方向同介质对称轴呈一定夹角时，井孔中激励的横波分裂成以不同的速度传播的快、慢两种模式波.研究不同偏振方向的偶极子声源在各向异性地层中激发的声场，分析偶极子测井同向分量波形在各向异性地层中测得幅度及速度的不确定性，可以帮助理解偶极子横波测井在各向异性地层中的测量结果.有关TI地层井孔声场的研究，国内外已经做了大量的工作.Cheng采用三维直角坐标系有限差分方法模拟了正交各向异性地层包围的井孔内多极子声源激发的声场[7］.Schmitt研究了介质对称轴同井轴平行情况下，多极子声源激发的模式波的频散曲线及衰减曲线，并分析了各地层参数对于井孔内导波的影响[8］.Sinha采用三维柱坐标系有限差分方法模拟研究了典型的硬地层和软地层条件下，TI地层斜井情况下多极子声源激发的声场以及仪器的存在对于井内模式波频散特征的影响，他认为，各向异性地层中，弯曲波在低频下的传播速度为对应地层横波的相速度[9］.王秀明采用三维直角坐标系有限差分方法计算了TI地层斜井中的单极子声源和偶极子声源激发的声场，他的模拟结果表明声波测井所测得的弯曲波的速度同各向异性地层体波的群速度一致[2］.张碧星分别采用实轴积分和摄动积分的方法研究了TI地层中模式波的频散特性和激发强度，以及折射纵波和折射横波的激发谱[2］.Tang和Cheng等采用三维有限差分方法计算了不同偏振方向的偶极子声源在HTI地层井孔中激发的声场，并采用双曲正切函数对计算的速度曲线进行拟合，将其应用于现场数据的反演之中[1］.陈雪莲和王瑞甲采用实轴积分法模拟了径向分层TI孔隙介质井孔内多极子声源激发的声场，并着重研究了渗透率对模式波衰减和幅度的影响以及井孔模式波的探测深度问题[10-11］.He和Hu等从理论上推导了井孔弯曲波的低频极限速度公式，并采用三维柱坐标系有限差分算法模拟了TI介质斜井中的弯曲波，他们的研究结果表明，大多数情况下，快、慢弯曲波的慢度近似等于沿井轴方向传播的地层快、慢横波的慢度[12-13］.闫守国和宋若龙等也模拟了横向各向同性斜井中偶极子声源激发的声场，并提出了采用守恒积分的方法解决柱坐标系波动方程在井轴上出现的奇异点的问题[14］.上述工作大多为数值模拟方面，鲜见有关各向异性地层声场实验模拟的报道.朱正亚采用缩尺模型井超声实验研究了各向同性地层，各向异性地层以及TI地层斜井中的偶极子声源激发的声场，并分析了不同井斜角情况下的偶极子声波测井响应特征[3-5］.他的实验结果显示，不同井斜角下弯曲波的传播速度同对应的地层横波速度一致.但是他的研究中，未涉及到各向异性地层井孔内不同偏振方向的偶极子声源所测得的幅度及速度的不确定性等问题的研究.本文从偶极子声波测井的测量原理出发，采用物理模拟的方法研究不同偏振方向下的偶极子声源在HTI地层井孔中激发的声场，并结合数值模拟的结果，分析了弯曲波的幅度及速度随声源偏振方向的变化规律.2 实验模型描述图1为本文所研究的实验模型.如图1所示，井孔内部充满水，井轴方向位于z方向；地层为横向各向同性介质，其对称轴沿y方向与井轴方向垂直.该模型为典型的HTI地层井孔模型.在井孔中居中布置了偶极子声源和接收器阵列，并保证声源的偏振方向与接收器的偏振方向平行或垂直.为描述方便，定义偶极子探头偏振方向与x轴（快横波面方位）夹角为β，其中发射探头和接收探头的偏振方向分别与x轴夹角为βT和βR.特别地，当βT=0°时，声源的偏振方向垂直于介质对称轴，称作SH声源；当βT=90°时，偶极子声源的偏振方向平行于介质对称轴，称作SV声源.SH声源和SV声源激励的弯曲波都不会发生分裂现象.一般情况下，SH声源激励的弯曲波传播速度较快，称作快弯曲波，对应着地层的快横波；SV声源激励的弯曲波传播速度较慢，称作慢弯曲波，对应着地层的慢横波.根据快、慢弯曲波速度（或者慢度）的差异可以评价地层横波速度的各向异性.图1 HTI地层井孔模型示意图Fig.1 Schematic of HTI formation borehole model3 模拟方法3.1 物理模拟方法3.1.1 实验装置本文采用缩尺模型井声波测井实验系统来模拟各向异性介质中传播的弯曲波.图2为本实验采用的装置，由超声水池、换能器激励源、偶极子探头、TI模型井、换能器定位装置、信号采集系统等几部分组成.超声水池的尺寸为40cm×80cm×100cm.实验中采用了南京市盛普仪器科技有限公司生产的SPF40数字合成函数信号发生器作为探头激励源.井孔声场模拟中，采用了含有一个正弦周期的Tone-burst信号作为换能器的激励信号，电压为±10V，信号的主频为40kHz.该频率相当于实际声波测井中的2kHz.采用专用自制的换能器支架来控制换能器的源距及偏振方向.该支架可以步进式准确地改变偶极子声源的位置及偏振方向.采用Tektronix TDS2024数字示波器对采集到的信号进行观察和采集.为了提高采集信号的信噪比，采用了多次叠加的方法对随机噪声进行压制.实验选用的偶极子探头可以工作在40～70kHz的频率范围.限于井内空间的限制，在模拟实验中，采用一对发射和接收探头通过多次测量来模拟不同接收源距和不同偏振方向下偶极子声源激发的声场.图2 实验装置示意图（a）及实物照片（b）Fig.2 Experimental setup（a）anda photo of the setup（b）3.1.2 各向异性模型井本文所采用的横向各向同性材料由多层酚醛树脂材料和纤维布交替压制而成，垂直于布面的方向即为介质的对称轴方向.图3a为本文所使用的各向异性介质的实物照片，S方向代表介质对称轴的方向.如图3a所示，我们将该材料切割成正二十四棱柱形状，且保证棱柱的一个侧面的法线方向平行于介质的对称轴.沿棱柱的各个侧面钻孔，来模拟实际的井孔，并采用井轴方向与介质对称轴之间的夹角α对不同井孔进行标识，如图3所示.模型井井孔直径约为1.2cm，与实际井孔约呈1∶20的比例关系.本文所研究的内容主要是针对α=90°的井孔，也就是井轴垂直于介质对称轴的情况.采用超声透射法对介质的体波速度进行测量，并以此来确定介质的五个TI刚性参数.测量采用的横波探头和纵波探头的频率分别为500kHz和100kHz.在各向异性介质中，通过超声透射法，根据体波的到时确定的速度可以认为是该体波的群角所对应的群速度.理论的群速度由介质的刚性系数决定，如式（1）所示：其中，分别表示群角为α（波的传播方向与TI介质对称轴之间的夹角）的情况下，准纵波、准SV波以及SH波的群速度，C、F、N、A和L为描述横向各向同性介质的五个刚性系数，D表示决定TI介质体波群速度的周期方程.通过使得实验实测的体波速度与采用式（1）预测的体波速度之差最小，来确定TI介质的五个刚性系数，并以此作为数值模型的输入参数.反演所采用的目标函数如式（2）所示：图3 各向异性材料实物图片（a）和不同方向下纵波（b）和横波（c）的群速度Fig.3 Photo of anisotropy media（a）and the group velocity of compressional waves（b）and shear waves（c）此处，分别表示群角为α的情况下实测的准纵波、准SV波以及SH波的群速度，O为反演的目标函数值.反演过程采用了快速模拟退火算法.实验所采用的介质的密度的测量值为1327.9kg／m3.本实验中通过式（2）所确定的五个刚性系数如表1所示.各向异性材料的体波速度测量结果如表2所示.在α=90°时，横波速度的各向异性值为7.47%.图3b是根据表1中的参数计算的介质体波的群速度与采用超声透射法实测的体波的群速度的对比，二者有比较好的一致性.表1 实验材料的等效TI刚性参数及密度Table 1 Equipment TI elastic parameters and density of the experimental material参数 C／GPa F／GPa A ／GPa N／GPa L／GPa密度／（m·s-1）值9.39 5.89 13.83 2.99 2.60 1327.9 3.1.3 实验用偶极子探头实验用偶极子换能器采用压电陶瓷片制成，由中国科学院声学所协助制作.在压电陶瓷片两面镀有银电极，经过极化和老化处理后，将其与不锈钢片粘合在一起，并采用绝缘防水材料将其封装起来.我们采用了Tone-burst信号作为激励信号对换能器的指向性及频率响应特征进行了测试.如图4a所示，将偶极子探头置于分光仪的中心，采用BK公司生产的8103水听器作为标准水听器对声场进行测量.水听器与发射探头位于同一高度，源距大约为6.5cm左右.通过旋转偶极子探头，对它的辐射指向性进行测量.图4b为探头的声轴方向上8103水听器测得的波形及频谱，激励信号选择为主频40kHz的含有3个正弦周期的Tone-Burst信号.从图4b看到，偶极子换能器的频带较窄，3分贝带宽约为6.7kHz.图4c为在激励信号的主频为40kHz时，本实验中所用到的两个偶极子换能器的指向性曲线的测量结果.从图4c可见，偶极子换能器的指向性图较为规则，呈典型的‘8’字形，说明辐射能量的空间分布表现为偶极子声源特征.探头偏振方向两侧的辐射能量相差10%～20%左右，说明偶极子探头含有一定的单极子成分或者其它极性的信号.我们也测试了该探头在90kHz时的辐射的声场，此时声场的主要成分已并非偶极子信号.测试结果表明，对于本文所研究的内容而言，该偶极子探头基本能够满足实验测量的需要.3.2 数值模拟方法为了对实验结果进行分析和对比，采用三维有限差分技术模拟了TI地层井孔中的声场.假设y轴为TI介质的对称轴，在直角坐标系下用应力和速度表示的运动方程和本构方程分别为式（3）—（11）[2，6］：式（3）—（11）中，vx、vy、vz 分别为x、y、z方向上的速度分量；τxx、τyy、τzz分别为x、y、z方向上的正应力；τxy、τyx、τxz为剪切应力；ρ为介质的密度；A、C、F、L和N是横向各向同性介质的五个独立的刚性常数.通过配置各个参数，可以用于描述各向同性介质和横向各向同性介质.fα（α =x，y，z）为力源，gαβ（α，β=x，y，z）为体积源，组合使用可用于模拟各种声源.采用中心差分格式的交错网格来实现各向异性介质的有限差分模拟，关于交错网格的划分以及迭代的方案，文献[2］给出了详细的描述.为了消除计算边界对计算结果的影响，采用完全匹配层（PML）技术吸收计算模型向外传播的弹性波[15］.关于PML层的设置，算法的稳定性分析，数字频散分析等，前人已做过大量工作，此处不做赘述[2，7，9，12，14-15］.表2 实验采用的各向异性材料的体波速度测量结果（单位：m／s）Table 2 Measured group velocity of body waves of the anisotropic media in the experimentα 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90°准纵波 2651.5 2664.8 2774.1 2924.2 3036.0 3137.6 3244.1 SH波 1392.2 1392.4 1413.42 1443.3 1467.0 1495.6 1510.4准SV波 1399.5 1404.3 1426.8 1430.7 1430.2 1424.2 1401.5图4 实验用偶极子探头测试结果，包括（a）测试装置照片，（b）测量波形及频谱、和（c）换能器指向性图Fig.4 Test results of dipole transducers，including（a）measurement setup，（b） received waveforms and spectra and（c）directivity pattern of the transducers4 模拟结果及分析4.1 数值模拟模型参数在数值模拟中，为了便于与实验结果进行对比，采用了与物理模拟相同尺度的模型.如图5a所示，主计算区域的模型大小为5cm×5cm×24cm，井孔位于模型正中央，井眼直径为1.2cm，x和y方向空间采样步长均为0.0375cm，z方向空间采样步长为0.0625cm.在井轴上距离底界面4cm处布置偶极子声源，在距离底界面4～24cm处布置偶极子接收器，接收器的源距为0～20cm.声源函数为指数衰减的正弦信号，如式（12）所示：其中f0为声源中心频率，本文选用的声源的主频为40kHz，α0为衰减指数，本文取0.65.为了便于与实验结果进行对比，介质参数选用了表1中的参数.图5b为模型的井孔横截面示意图，其中介质对称轴的方向为y轴方向，β为探头的偏振方向与快横波面方位（x轴）的夹角.4.2 实验测量波形与数值模拟波形对比首先对比了物理模拟得到的快、慢弯曲波波形和数值模拟得到的快、慢弯曲波波形.如图6所示，图6a为物理模拟得到的快、慢弯曲波波形，图6b为数值模拟得到的快、慢弯曲波波形，其中实线为SH声源（βT=0°）激励的弯曲波波形，虚线为SV声源（βT=90°）激励的弯曲波波形.无论是物理模拟的波形，还是数值模拟的波形，SH声源激励的弯曲波均早于SV声源激励的弯曲波到达.物理模拟的波形与数值模拟的波形相比，到时基本相当，波形形态有所差别.物理模拟的波形到时略迟于数值模拟的波形，经计算，物理模拟的弯曲波速度小于数值模拟的弯曲波的速度.我们认为导致二者速度差别的原因是因为实验中所采用的介质为频散的介质，数值模拟中采用了通过高频超声波体波测量得到的TI介质的刚性系数.在体波测量中，使用的横波探头的主频为500kHz，其横波波长约为0.3cm；而在井孔声场模拟实验中，偶极子探头的主频为40kHz，其横波波长约为3.5cm.实验用到的各向异性材料是采用酚醛树脂和纤维布交替压制而成的，在上述频率区间内是频散的.尽管数值模拟的弯曲波和物理模拟的弯曲波存在速度差别，但是不妨碍本文下面问题的讨论.物理模拟的波形相比于数值结果而言“振荡”时间较长，结合上文中换能器的测试结果可知，这主要是由于我们实验中采用的偶极子换能器频带较窄所致.实验用偶极子换能器3分贝带宽为6.7kHz，且信号经过窄带的发射换能器发射和窄带的接收换能器接收以后，其频带相对更窄.而数值模拟中，声源选取了指数衰减的正弦信号，其频带相对较宽.另外，由于实验用偶极子换能器并非理想的偶极子声源，物理模拟得到的波形的后续波中，含有斯通利波成分.从图6中还可以看到，对于数值模拟的波形，SH声源激励的弯曲波略大于SV声源激励的弯曲波信号.而对于物理模拟的波形，SV声源激励的弯曲波波形较大.实际上，在实验中我们发现，受气泡以及换能器偏心的影响，弯曲波的幅度是个难以准确测量的量.在我们所关心的频带内，换能器表面以及井孔内气泡的存在对于测量结果的影响非常大，尽管在实验过程中，采取了各种措施对换能器表面的气泡以及井内的气泡进行处理，但是仍旧有气泡的存在，且对测量的弯曲波的幅度有一定的影响.另外，弯曲波在井孔内不同的径向位置所产生的声压是不同的，偶极子探头在井孔内的轻微偏心会导致测得的弯曲波幅度不同.在实验中，我们采用了各种方法（清理探头表面、清理井孔、捆绑胶带使得换能器居中等措施）尽量减小气泡以及换能器偏心等因素对于弯曲波幅度测量的影响，下文给出的结果显示，这些处理是有效的，测得的弯曲波波形幅度基本能够反映井孔声场的性质.另外，气泡或者探头轻微的偏心对于下文中弯曲波慢度的提取基本没有影响.4.3 横波分裂现象采用物理模拟方法模拟了不同偏振方向的偶极子声源激发的声场，如图7（a，b）所示，其中接收器源距为11cm.图7a和图7b分别为βT=0°、22.5°、45°、67.5°、90°情况下，井孔内接收到的同向分量波形（βR=0°、22.5°、45°、67.5°、90°）和正交分量波形（βR=90°、112.5°、135°、157.5°、180°）.对应的数值模拟结果如图7（c，d）所示，其中图7c为同向分量波形，图7d为正交分量波形. 从图7a可以看到，同向分量波形能量在不同方向均较强，当βT=45°时，幅度相对较小；从图7b可见，正交分量波形随声源偏振方向的不同变化较大，在βT=0°和90°时幅度非常小，在βT=22.5°、45°、67.5°时幅度较大.在数值模拟的波形中，也观察到了相同的现象.这说明，由于HTI地层的耦合作用，在βT=22.5°、45°、67.5°时，发生了横波分裂现象，而在当βT=0°和90°时未发生横波分裂现象.图7 随声源偏振方向不同，井孔内接收的（a）（c）同向分量波形和（b）（d）正交分量波形，其中（a）（b）为物理模拟结果，（c）（d）为数值模拟结果，源距为11cmFig.7 Simulated inline component waveforms（a）（c）and cross-line component waveforms（b）（d）received in borehole by dipole transducers of different directions，where（a）（b）are numerical results，（c）（d）physical simulated results，the source-receiver space is 11cm对比物理模拟的波形和数值模拟的波形，在βT=0°和90°，数值模拟得到的正交分量信号的幅度为0，而在物理模拟的波形中还存在一定幅度的正交分量信号.这是因为实验中采用的偶极子探头并非理想的偶极子探头，它辐射的能量中含有一定量的单极子成分和其他极性成分.另外，探头的偏心也会导致井孔中产生其他极性的声场.对于单极子成分（主要是低频斯通利波）而言，在各个方向上都能够接收到波形信号.4.4 弯曲波幅度随声源偏振方向的变化通过提取波形的峰峰值，分析了同向分量波形的幅度和正交分量波形的幅度分别随偶极子声源偏振方向的变化.波形的峰峰值定义为波形最大波峰和波谷之差.图8a和图8b分别为从物理模拟和数值模拟得到的波形里提取的弯曲波的幅度值.为了分析方便，通过源距为11cm处的快弯曲波（βT=0°）同向分量幅度将提取的幅度值进行归一化.从物理模拟的结果中可以看到，正交分量波形在βT=0°和βT=90°时幅度较小，而当βT=11.25°～78.75°时幅度较大；同向分量信号在βT=45°时幅度较小.结合数值模拟的结果可知，正交分量波形幅度随着βT的变化而变化，在βT=0°和βT=90°时幅度最小（理想的情况下此时幅度为0，而实验或者实际测井中往往存在一定的背景噪声信号），在βT为某特定值时，幅度最大，对于本文的模型，在βT约为45°时，幅度达到最大值；同向分量波形幅度变化趋势同正交分量相反，在βT约为45°时，幅度达到最小值.物理模拟的结果基本能够反应弯曲波在各向异性地层中激发的声场的特征.但是受实验条件限制，物理模拟的波形幅度存在一定的误差，在一些细节方面和数值模拟的结果不同，如在物理模拟中，源距为11cm处的同向分量波形在βT=67.5°时幅度最大，而数值模拟的波形在βT=0°时幅度最大.另外，上文所述物理模型和数值模型波速的差异也会导致两种方法得到的弯曲波波形在幅度上有差别.在三维有限差分模拟中，我们未考虑介质的衰减性质，这一点也会导致物理模拟结果和数值模拟结果不一致.图8 弯曲波的幅度随声源偏振方向的变化，包括（a）物理模拟结果和（b）数值模拟结果Fig.8 The amplitude of the flexural waves with different directions of the source，including（a）physical simulated results and（b）numerical results另外，图8还给出了不同源距下同向分量和正交分量波形的幅度随着探头偏振方向的变化.实际上，各向异性地层中弯曲波的幅度受快、慢弯曲波的激发强度、衰减以及横波速度的各向异性的大小、源距等因素的综合影响.各向异性地层井孔中某方向下测得的弯曲波波形为快、慢弯曲波波形按照一定的加权系数进行叠加的结果，当该叠加接近同相位叠加时，测得的幅度弯曲波波形较大；反之，则小.对于本文的模型，在文中计算的源距11.0～18.0cm内，源距越大，正交分量最大幅值越大（在物理模拟的结果中，由于介质衰减的影响，这一现象并不明显），同向分量的最小幅值越小，对应着工程评价中的能量各向异性参数越大.这说明，能量各向异性参数受源距的影响较大，在实际资料处理和解释的时候应注意这一点.4.5 弯曲波速度分析图9a和图9c分别为数值模拟和物理模拟的同向分量阵列波形，源距为11～18cm.图9a和图9c中的实线为βT、βR=0°或90°情况下的模拟的波形，虚线为βT、βR=11.25°～78.75°情况下模拟得到的波形.从图9a可见，随着声源偏振方向与快横波面夹角的增加，阵列波形逐渐从快弯曲波（βT、βR=0°）变化到慢弯。

声类比水下圆柱绕流声学特性研究张小锋;刘国庆;赵成;张涛【摘要】本文以三维刚性圆柱为研究对象,开展了基于大涡模拟和Lighthill声类比理论的混合数值模拟方法研究,确定了合适的声学计算模型参数.结合噪声频域特性和声学指向性,对比分析了不同雷诺数(Re=4.3×104、Re=1.0×105、Re=1.8×105和Re=2.5×105)、不同间距比(L/D=2、3、4和5)和不同排列方式(串联、并联和交错45°)下有限高单圆柱及双圆柱的水动力噪声特性,讨论了雷诺数、间距比以及排列方式对圆柱绕流水动力噪声的影响,为实现水下钝体和航行器流噪声的精确预报提供了详细的数值模拟方法指导.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2019(041)006【总页数】6页(P120-124,128)【关键词】圆柱绕流;声学计算模型;水动力噪声特性【作者】张小锋;刘国庆;赵成;张涛【作者单位】华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉 430074;中国舰船研究设计中心,湖北武汉 430064;华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TB120 引言在流体力学和声学的探索过程中，钝体绕流问题一直是重要的研究课题之一。

钝体指外形为非流线形，当流体流经其表面时会发生流动分离现象的这样一类物体。

圆柱及圆柱群绕流现象作为钝体绕流中的经典问题，在自然界中广泛存在，并被大量运用于海洋结构、船舶工程、航空航天、土木、机械等多种工程领域中。

当流体流经圆柱类结构物时，在一定流动工况下，会在结构物的后方呈现旋涡脱落的现象。

这些旋涡周期性地交替出现，导致结构物在垂直于来流方向上受到周期性变化的作用力，致使结构物产生振动，圆柱后会产生大范围的流动分离和涡脱落的现象，压差导致阻力的增加，同时产生噪声[2]。

计算气动声学CAA若干学习经验在论坛上看到越来越多的人也在做气动声学相关的东西，颇有得遇同道中人的喜悦。

本人在硕士阶段就开始接触一些气动声学相关的东西，工作后主要的研究内容就更专一了：航空声学。

工作一年后，通过各种乱七八糟的学习过程，对计算气动声学有了更多的理解。

受版主水若无痕的影响（他是我的同学），因此打算在此写个与计算气动声学（CAA）相关的东西，和大家交流交流。

对气动声学的关注始于上世纪的50年代，原因就是当时涡喷式航空发动机的喷流噪声实在是太吓人了。

于是，牛逼的莱特希尔（Lighthill）坐在火车上，在一个信封上一顿写，就把N-S方程给改写成了波动方程的形式。

方程的左边是一个经典声学的波动方程，而右边则是一个主要与湍流相关的源项，被后人称为莱特希尔应力张量。

这就是所谓的莱特希尔方程了，气动声学的开山之作。

莱尔希尔方程的声源为四极子声源，也就是湍流噪声源，主要适用于高速、湍流为主要噪声源的情况，如高速喷流。

方程的声源项未知，需要采用CFD或者试验来获取。

再后来，柯尔（Curler）同志对莱特希尔方程进一步发展，得出了考虑了固壁影响的柯尔方程。

柯尔方程主要适用于低速情况下的固壁绕流噪声计算，如低速的圆柱绕流、机翼绕流等。

此时，气动噪声源主要为偶极子声源，声源的强度为声源表面对流体的作用力。

这种作用力不单是压力，还包括表面动量流量。

当然，对于固壁来说，法向速度为零，也就没有动量流量了，因此采用固壁表面作为声源面时，只需要壁面的压力脉动即可。

而在采用通流面作为积分面时，则需要考虑动量流量了，这在后面会有介绍。

福茨威廉斯与霍金斯（Ffcows Williams & Hawkings）两位在莱特希尔方程的基础上，发展出FW-H方程。

FW-H方程的发展主要是针对运动壁面的发声情况。

这里说的运动壁面指的是在来流中的运动，也就是说壁面具有加速度，如螺旋桨。

FW-H方程包含了所有的噪声源，单极子、偶极子和四极子。