英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用一维，一维-三维和准三维非线性方法预测消声器的声学性能
G. Montenegro , A. Onorati, A. Della Torre
摘要
用于内燃机发动机的消声器的设计是衰减或强调尾管噪声的某些谱分量的关键问题。复杂形状消声系统的优化通常是一项耗时的操作，必须通过同时进行的实验测量和数值模拟进行。本文描述了不同非线性模型的发展和应用：耦合一维-多维模型和耦合一维-准三维模型，以预测时域和频域中的消声器行为。在三维和准三维方法中采用二阶时间和空间离散化，而开发特定的耦合策略来实现它们与一维模型之间的接口。具体而言，由于三维依赖于并置网格离散化，所以开发了基于黎曼解算器的方法来实现与一维代码的耦合，而利用单元重叠过程来将一维代码与准三维方法接口以适应伪交错网格布局。在管道系统的上游施加了白噪声和单脉冲边界条件以激发波浪运动。应用集成的一维-多维和准三维方法来预测压力波可以显着非平面的反应和耗散混合器的传输损耗，以指出高阶模式对声学性能的影响。已经研究了具有扩展入口和出口以及穿孔的反腔室，显示了关于简单的完全一维模型的混合一维-三维代码和准三维代码的潜力。传输损耗预测结果与实验测量结果之间的对比指出了正确捕获中高频多维波浪效应以及高振幅扰动和平均流动效应的重要性。
关键词：非线性声学,一维-三维耦合，黎曼解算器，准三维方法，一维模型
1.引言
内燃机噪音水平和质量的控制是新型汽车动力总成系统设计过程的一个关键方面，以满足立法限制并提供愉快的内部和外部声音。特别是，由于周期性汽缸气体交换过程产生的管道中非常不稳定的流动，气体动力噪声从发动机进气和排气管道系统辐射出来。根据预期的结果，气体动态噪声的衰减依赖于具有简单和复杂几何形状的合适的反应式和耗散式消音器，设计和优化以抑制或强调发动机噪音的某些谱分量。因此，复杂静音系统的设计是一个耗时的操作，必须通过同时进行的实验测量和数值模拟来进行。仿真代码在预测混合系统的声学/流体动力学行为方面的作用是第一阶段调查的基础，以发现最有希望采用的配置，并通过测量和计算逐步优化。通常，可以应用具有不同复杂程度的一维和二维-三维仿真模型来评估在时间和频率范围内的吸气侧和排气侧的简单和复杂的声学滤波器的衰减特征。一方面，一维线性/非线性码被广泛用于计算混响器的声学性能。由于其简单性，准确性和非常短的计算时间，一维线性声码主要应用于此目的。然而，由于流量速度变得不可忽略，并且信号的声压级达到160dB的数值，因为它可能发生在内燃机的内燃机内部，所以入射压力扰动的幅度使得线性近似不再有效。因此，当系统的动态是非线性时，时域仿真工具变得有吸引力。当暴露于典型的内燃机声压水平时非线性特征。因此，时域仿真工具最好应用于更好地再现与平均速度相关的复杂脉动流，因为它们直接考虑了它们所基于的基本方程中的这些特征。由于这个原因，在过去的十年里，一维非线性时域模型已经成为模拟平均流量的消声管中高振幅波浪运动的优先工具，以便预测系统的声学响应和噪声当它与发动机源自身耦合时辐射。许多研究人员已经指出，通过时域，非线性，一维方法对高级消声器建模的成功开发和验证，包括复杂的元素，如穿孔，流动逆转，吸声材料，同时具有发动机或白噪声/脉冲励磁。另一方面，由于平面波假设的内在局限性，线性和非线性一维方法不足以捕获复杂几何系统和相关高阶模式中的非平面波运动。可以通过多维线性/非线性模型成功地模拟一个简单或复杂的形状器件（气箱或气浮器），其特征是在特定频率范围内有显着的多维波动。基于有限元法（FEM）或边界元法（BEM）的多维线性代码通常用于声学模拟，而计算流体动力学（CFD），时域非线性代码用于预测消声器的声学性能（TL）。其中一个原因肯定与计算量相关，通常CFD模型的计算量要大两三个数量级。然而，时域非线性多维码的计算代价越高，模拟的适用性越广，结果的有效性也越平衡，从包括高振幅波效应在内的多种传输损耗（TL）到声波和流体动态性能发动机压力脉动下的消音系统。作为完全多点CFD模拟的替代方案，最近已经研究了非线性准三维方法（以下简称为三维单元），目的是开发一维和三维时域非线性模型之间的中间工具在非平面波运动的计算量和预测精度方面表现出良好的折衷。三维单元方法依赖于诸如体积等零维元素的网络，通过特定的连接元素与其他元素相连接。由于其三维特性，相对于传统的一维平面波方法，该方法能够预测高阶模式，提高高频精度。为了以方便的方式利用一维（简单，低计算量，直接边界条件）和多维或准多维非线性模型的优点，在过去的十年中已经实现了几个混合一维-多维流体动态模型的例子。 一维和多维/ 三维单元计算域的集成可以通过不同的方法来实现，以对包括消声器在内的整个发动机进气和排气管道系统进行流体动态/声学模拟。在这种情况下，三维和三维单元方法可以用于对非平面波运动占优势的元素进行建模，而一维方法则保留用于模拟简单的管道系统。集成的仿真工具可以捕获由高振幅波浪运动所产生的非线性效应，以及重要的平均流量和三维设备中的复杂波浪运动，提供了对静音系统的衰减特性和辐射尾管噪声的详细预测，考虑与发动机源的耦合。只有实现了令人满意的数值耦合策略，才能实现这种混合一维-三维方法，以实现稳健和精确的方法，并保证一维和三维 / 三维单元计算域之间的接口不存在数值超调。
在这项工作中，作者描述了耦合一维-三维和耦合一维-三维单元时间主 - 主非线性模型的开发和应用，用于模拟内燃机的声学性能。发动机消声器。关于前一个综合模型，一维研究代码GASDYN（由作者自行开发）已经基于创新方法与CFD代码OpenFOAM（开源软件）严格耦合，涉及Riemann问题的解决方案在计算域界面处通过近似HLLC求解器。这种耦合方法对于其他典型的耦合技术来说更加通用和鲁棒，其主要依赖于通过经典边界条件交换流体动态变量。最近，通过基于边界计算单元的重叠和共享在一维区域中计算的通量的方法实现三维单元模型（其与Lax-Wendroff 一维数值方法耦合），实现了相同的一维代码。
采用混合一维-三维和一维-三维单元l编码预测不同消声系统的传输损耗，其中多维波动对声学性能有明显影响。一维方法已经被用来在系统的上游施加一维边界条件，通过白噪声或单脉冲激励管道中的波动以及消声器的下游，以表示消声器出口并因此评估传输损耗。这两个边界都被基于特征的方法所处理，引入了黎曼变量。所有的消声器都是通过一组定制的CFD库（Lib-ICE），或者通过三维单元单元的网格，或者通过三维单元l元素的网格，在非结构化网格上采用三维区域进行建模，以重现三维几何体设备。混合模型已被应用于预测三维波可能显着的反应性混合系统的传输损失（TL），例如具有流量反转的膨胀室。此外，已经完成了三维和三维单元非线性方法对穿孔管道的详细调查和验证。第一个验证是在无效平均流量和小振幅扰动条件下进行的，并进一步扩展到了非线性区域。特别是，由于存在平均流量和高振幅压力扰动，非线性效应已被分析。将计算结果与传输损耗的相应实验测量结果进行比较，并与完全一维非线性时间 - 主要模拟的计算结果进行比较，以指出三种方法之间的差异。
2.一维非线性模型
一维非线性模型用于集成一维-多维模拟是由作者（GASDYN）开发的一个研究代码。质量，动量和能量守恒方程以强保守形式表示，其中源项用于解释摩擦 以及气体和墙壁之间的传热：
(1)
其中
(2)
(3)
在上述守恒方程中，W是守恒变量质量，动量和能量的向量，而F（W）是守恒变量的通量向量。源项B（W）和C（W）分别代表沿管道轴线的截面变化（，其中F是流量部分）以及气体和墙壁之间的摩擦（）和热通量（q）的存在。方程组（方程（1））由完美的气体状态方程闭合。 参考图1所示的计算网格，控制方程式（1）的积分形式可以表示为：
(4)
在整合这个等式给出：
(5)
其中W表示计算单元上的保守变量的平均值，由下式给出：
(6)
F则是在时间间隔内跨越单元边界的平均通量：
(7)
该解采用的数值格式是对称的二阶两步Lax-Wendroff方法。图2描述了时间推进模板的计算程序，由两个步骤组成。第一步基于Lax-Fried-richs方法，在点（i-1/2，n）和（i 1/2，n中以空间为中心的差异：
(8)
(9)
第二步是以时间差为中心的点（i，n 1/2）的中点蛙跳计算：
(10)
第二步中的通量值可以从第一步结束时的值中获得。由于Lax-Wendroff方法在空间和时间上均达到二阶精度，根据戈德诺夫定理，当解域中存在尖锐梯度时，数值方案引入解中的寄生振荡。这个问题通常是通过采用通量限制技术来实现的，这些技术可以使发生数值超调的解决方案更加平滑。主要缺点是增加了一阶耗散项，这会降低解决方案的准确性。然而，当压力扰动的幅度保持很小时（如在线性声学仿真的情况下），即使没有任何流量限制器，计算过程也保持稳定，从而保持该方法的二阶准确性。边界的一维处理条件依赖于基于特征的方法，仅利用管道边界单元中的网格特征方法（MOC）来评估波的传播和反射，就入射和反射黎曼变量而言。这种方法提供了一个很好的基础，可以开发建模消声管道系统所需的典型边界条件，并提供宝贵的物理见解。
图1. 解决保守方程的计算一维网格
图2. 两步Lax-Wendroff计算程序
3.多维非线性模型
基于OpenFOAM编码的CFD模型被开发并用于消音器的多维模拟，从欧拉方程组的非线性组合开始描述系统中的波动：
(11)
(12)
(13)
尤其是，可以采用欧拉方程组来预测消音器传递损失，因为在高雷诺数（典型的沿着内燃机的进气和排气系统的消音器），问题由对流支配，使得粘滞现象可以忽略不计。此外，三维求解器不考虑化学物质的跟踪，并且用恒定的热容量理想气体方程近似气体的热行为。为了很好地解决混沌内部的波动问题，我们采用了空间和时间二阶离散化。特别是，线性人脸细胞插值用于确定用于计算通量的守恒变量的人脸中心值，而时间离散采用隐式Crank-Nicholson步进程序。这套适用于适当精确计算网格的数值方案可以准确分辨高达3000 Hz的消声器声学特性。尽管欧拉近似在小振幅压力扰动和零平均流量的声学模拟的情况下相当可接受，但考虑到涡旋动能的粘性耗散导致的功率损失，已经考虑了整套Navier-Stokes方程以及。这是捕获穿孔元素的边缘处发生的流动分离的影响所需要的。所考虑的动量方程因此是：
(14)
其中是牛顿流体的应力张量：
(15)
4.三维单元非线性模型
三维单元方法包括将三维几何体重现为零维元素的网络，即体积，空间中的特征长度被分配给该网络。如图3所示，三维单元是通过两个基本元素定义的：单元和连接器。单元元素由其体积和连接到它的连接器列表定义。连接器单元存储关于相邻单元之间的连通性的信息以及几何参数，例如与相邻单元中心的距离，相对于绝对定向系统的方向和流动面积。三维单元方法基于保守三维单元基于的控制方程与三维模型（方程（11）-（13））相同。因此，在这种情况下，无粘流动的假设仍然可以被认为是有效的，同时采用完美的气体状态方程来闭合方程组。三维单元模型基于部分交错网格方法，这意味着在单元元素上定义了诸如压力，温度，密度，内部能量和其他导出量之类的密集性质，而速度和动量则在连接器上定义。连续性并且考虑到通过连接到单元的连接器的保守变量的净通量，针对单元元素求解能量守恒方程。他们在单元体积和时间上的整合将导致以下离散化形式：
， (16)
， (17)
其中下标c表示连接器，表示连接到单元的连接器的总数。术语表示通过连接器的净质量流量。根据准交错排列的定义，为了建立连接器动量方程，已经定义了速度也在单元元素的质心中。单元速度在空间中定向并且因此具有三个分量，而速度被定向在与连接器面正交的方向上。因此，当解决连接器动量问题的解决方案时，考虑沿着连接器法线方向的速度投影，如图3所示。连接器动量平衡将考虑沿连接
全文共17294字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[13441]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
