Lighthill理论的关键之处在于它认为流体动力声源是已知的,只需要运用不同的方法分别得到声的各源项就能够计算出声场,它在声的预测方面是很有利的工具,因此得到了很好的应用。而Lighthill理论的局限性在于其人为分开流场与声场的作法将无法解决声场与流场相互作用的问题,且声源项中的四极子项中隐含的源项众多,例如冲击声源、湍流声源与边界层声源等,也很难通过模型求解。
2.1.2运用涡声理论
涡声理论是1964年Powell在Lighthill方程的基础上,假设流体是低马赫数且绝热等熵进行简化得到的。涡声理论指出涡是流体动力声的唯一源项,反映了流场中的发声机制,它的提出使得在求解流体诱发噪声的时候,只需要考虑流场中含有漩涡的区域,因此方便于对流动发声的理论研究与数值计算。而与此同时,从涡的角度来描述流场常用的方法也得到了很好的研究,常用的方法有非粘性流体情况下的漩涡法、离散漩涡法与混合漩涡法。因此,运用涡声理论来分析离心泵这类叶轮机械的噪声是非常有效可行的方法。
1975年Howe在Powell方程的基础上,更考虑了熵变化和平均流对流动发声的影响,使涡声理论得到重大发展,而后Howe又在1991年进一步运用离散漩涡的方法建立了漩涡与流道中转子耦合作用的模型,提出了复杂流固耦合产生噪声的近似分析方法,他的研究模型十分接近于实际的离心泵。在他的研究中指出,当流体经过叶轮与流壁时,漩涡是耦合噪声的唯一来源,而主要噪声源项是表面非定常力决定的偶极子源,而噪声对流场的反作用也在他1997年与1998年的研究中得到了论证,并指出当马赫数很小(<<1)、流体可压缩性对流体的流动不起决定性作用以及流体运动不会引起结构共振时,可以忽略声场对流场的影响。Howe的结论使得在计算流体机械诱发的噪声时,可以先求解流场,然后根据所得到的流场进一步求解声场。而在求解具有良好结构设计的离心泵诱发噪声的研究中,这种方法显然是适用的。
2004年Langthjem等人就尝试运用这种先求离心泵内流场,后求解声场的方法,开发一种两维离心泵中流体诱发噪声的快速算法。它首先运用无粘漩涡脱落再加上人工粘度的离散漩涡模型计算了离心泵中的非定常流场,然后由叶片表面的非定常力求解了离心泵内部的声场。虽然该研究是基于两维的基础之上,但Langthjem等人所得到的结论与试验的结果非常相近,他们的研究为推导离心泵中噪声产生的三维理论模型打下了基础。
2.1.3量纲分析
以量纲分析为手段的相似关系研究在流体的分析中得到了大量的应用,因此这种方法也被引用到了离心泵噪声的分析中,2002年周心一在对流体动力性噪声的相似关系研究中就运用了这种方法,并指出流体的雷诺数在某一个临界值以上,流体动力噪声就有一定的相似性;2008年Argarin等人也运用这种方法估计了离心泵中湍流诱发的噪声。由于量纲分析所得出来的结论具有普遍性的意义,因此这种方法也是进一步研究离心泵噪声的有利工具。
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