管道伴流声场问题计算的无网格-半解析耦合方法研究项目摘要

无网格方法是近年来国内外学术界及工程领域的研究热点，被广泛应用于固体力学，动力学以及流体力学的研究，在声学的应用较少。管道声学是一种常见的工程问题，研究噪声在管道流动介质中的传播和衰减特性是声学设计和噪声控制的基础。本课题使用无网格方法研究管道伴流声场特性，根据结构特点或填充材料的不同将管道划分成不同子域，使用二维无网格法和模态匹配法结合形成半解析方法求解规则结构子域声场，采用三维径向点插值配点型无网格方法求解不规则结构子域声场。探索无网格形参函数、配点方案以及导数边界条件的处理技术对管道伴流声场计算精度的影响，实现无网格-半解析耦合技术研究不规则管道三维伴流声场特性的目标，为无网格法在管道声学领域的广泛应用奠定基础。

为克服网格化方法的缺点，无网格方法近年来得以快速发展。将无网格方法用于船用管道消声装置的三维伴流声场计算，将其与解析方法匹配形成半解析方法，进而与数值方法耦合求解复杂结构系统的伴流声场问题，研究该方法与有网格方法相比在计算速度和精度上的优缺点，是一项具有现实意义的课题。 课题使用二维无网格法求解消声器的横向模态，研究了强式无网格方法和全局弱式无网格方法求解横向模态的应用特点，分析了支持域尺寸和基函数形状参数对计算精度的影响。研究结果表明当支持域尺寸大于2.5倍 时，形状参数 在2-3.5之间取值时，计算得到的本征值精度较高。应用无网格-模态匹配耦合方法计算并分析了典型结构消声器的声学性能。将耦合方法计算结果分别与三维有限元法计算结果以及实验测量结果进行对比，验证了耦合方法以及计算程序的正确性。比较了耦合方法和三维有限元方法的计算时间，证明了本项目提出的耦合方法的优越性。开发了计算简单膨胀腔消声器传递损失的三维无网格程序，分析了背景网格对计算精度和计算速度的影响，当背景网格中的节点数不少于场节点数的三分之一时，即可满足计算精度。对于复杂结构消声器，提出了基于子域划分的耦合处理方法。将复杂结构消声器划分成几个子域，对于横截面沿轴线方向均匀一致的子域结构采用无网格-模态匹配耦合方法求解其传递矩阵，对于横截面沿轴向方向不一致的子域结构利用三维无网格方法求解其传递矩阵，利用各个子域在公共交界面上的连续性条件，求解消声器的整体传递矩阵，进而计算得到其传递损失。使用耦合处理方法计算双腔结构消声器的传递损失，并且与三维有限元计算结果进行对比，验证了该方法的正确性。 为了验证本文所提出的无网格—模态匹配耦合方法预测消声器声学性能的正确性，利用两负载法测量了无流状态下两种穿孔管消声器的传递损失，实验测量结果与本项目耦合方法计算结果吻合良好，表明本项目所开发的无网格--模态匹配耦合方法预测程序是正确的。 2100433B

以薄板和薄壳及其组合结构为代表的薄壁类结构，是使用最广泛的一类结构，也是声振耦合最强烈的一类结构。本项目的主要研究内容为：（1）板壳及其复合结构声阻抗边界条件的建模，探索便捷、合理的边界条件建模方法。（2）板壳类结构－声耦合系统的中频计算方法研究。主要进行两方面探索：（i）WBM研究振动声问题；（ii）混合FEM－WBM分析振动声问题。在实际计算中，探索这些方法与频移变换技术和快速多极边界元法的结合。（3）板壳类结构－声耦合问题中的特殊困难，如某些板壳结构没有明确的低频和中频特征、板壳结构存在大量的同频模态群等；（4）探索模型的不确定因素及其对离散和计算结果的评价方法。这些问题都是该领域的前沿课题。本项目的研究和结果，将推动建立板壳类结构－声耦合系统的有效分析计算方法，获得一些新现象和新规律，为噪声控制系统和其它相关结构声学系统的设计、应用提供理论和技术支撑。 2100433B

深水管线流固耦合问题在海洋工程中广泛存在，由于管线细长和受弹性支撑，管线会发生柔性变形，在不同水深流动区域会激发不同模态的涡激振动现象，海底管线附近海床在复杂流场作用下会发生陶蚀现象，从而形成复杂的流体力学问题，是深海海洋工程极为关注和亟待解决的关键问题之一。本项目利用申请人及合作者提出的多重网格虚拟边界法，结合ALE方法、移动网格和分块并行技术，构建一个新的数值方法：流体-固体流场统一法，数值模拟典型的深水管线流固耦合问题，包括复杂形状管线涡激振动和锁定现象、管线柔性变形与流场相互作用、海底管线柔性变形与周围复杂流场相互作用等，为新型深水海洋平台和海底管线的设计、施工、运行与监测提供理论依据和技术支持。同时，还可以为其它相似的流固耦合问题(如螺旋桨和涡轮机叶片的振动现象)的机理探讨，模型构建和数值分析提供新的可借鉴的数值方法。本项目研究对丰富流固耦合理论和计算流体力学的发展都有重要意义。

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。2100433B