包含多孔材料插件的突扩通道湍流流场及声场计算研究

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突扩通道流动广泛存在于流体机械与过程装备中,其主要特点是在台阶下游存在分离漩涡运动,造成下游的速度分布不均匀以及流体与固体壁面之间的相互作用,产生结构振动和噪音,不利于安全环保。多孔材料结构是通道内整流消声的常用方法,但是在实际应用过程中,参数的选择基本上依赖于设计与操作人员的经验。参数选择不当,有可能不仅增大了管道内的流动阻力,而且台阶下游的涡运动也可能并未消除。为此,本文研究不同多孔材料参数对突扩通道内的流场及声场的影响,为管道内使用多孔材料插件进行整流与消声的应用提供参考。  首先对N-S方程进行体积平均和时均处理,得到了描述多孔介质内部的流动控制方程。对比纯流体控制方程,多孔介质内部流动方程由于惯性阻力与粘性阻力的存在,分别增加了Forchheimer项和Brinkman项。采用k-ε模型计算湍流应力,多孔介质与纯流体交界面为多孔介质边界条件,求解包含自由空间与多孔材料为一体的流场控制方程。通过控制变量法,分别研究了二维和三维突扩通道内嵌入多孔插件后,流场随渗透率、插件位置和厚度的变化规律。结果表明,多孔插件厚度的增大或者渗透率的减小,都会增大通道内的压力损失,并且它们对压力损失的变化起决定性作用。管道内的涡强和速度脉动强度均随着渗透率的增大而减小,在多孔插件内的涡强与材料渗透率相关。对于包含单频谐波的非定常来流,经过多孔插件后的压力信号、轴向速度脉动、湍动能及湍动能耗散率等参数的波动幅值均降低,相位几乎不发生变化。  在流场计算基础上,采用ACTRAN软件对管道内进行声学计算。管道两侧定义为管道声模态面,以模拟无限长管道。声场计算结果揭示了多孔材料插件对低频区噪声的抑制作用,并且随着频率的上升,一部分声波的传播方向从轴向偏转至径向。
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