基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法，属于粒子图像测速领域。本发明专利技术由二维PIV获取的速度场信息出发,通过欧拉法构建并求解泊松方程获取流场压力；基于所求解的高响应压力信息，通过Curle声比拟方法，求得远场声压；再进行展向二维PIV测量，获得展向速度信息，经过展向相关性修正，获得远场噪声信息。本发明专利技术通过使用简单的二维PIV测量即可得到指定声源考虑三维效应的流致噪声信息。声信息。声信息。

【技术实现步骤摘要】
基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法


[0001]本专利技术涉及流体测量领域中的粒子图像测速（PIV, Particle Image Velocimetry）技术，具体涉及一种基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法。该方法基于平面时间解析PIV测量，通过流场压力场重构，声比拟预测，以及展向相关性修正等技术，对指定流场声源的考虑三维效应的流致噪声进行预测。

技术介绍

[0002]流致噪声是20世纪50年代从流体力学和声学两个基础学科产生出来的交叉学科，主要研究由流体介质流动对声音产生和传播的影响。21世纪以来，民用航空，风力发电，海洋作业等行业快速发展，与此同时带来了不计其数的流致噪声效应，给人民的生产生活带来巨大困扰，流致噪声的机理研究与抑制需求与日俱增。
[0003]传统的噪声测量诸如空气中的远场麦克风与水下的水听器能直接获取流致噪声，但易引入除关注声源之外的其他流致噪声或环境噪声，甚至设备的噪声如风洞水洞的电机噪声会淹没掉所关注的流致噪声；消声风洞，消声水洞能消除额外的环境噪声，但却存在设备建设成本高昂的限制；麦克风阵列可有效定位特定声源但成本极高。并且以上阐述的噪声测量方式均无法将流场速度信息与噪声直接对应。若需研究流场速度与噪声的直接对应关系又需要同步测量速度场，这样会额外引入新的噪声源，如PIV的冷却器噪声等。
[0004]如专利申请号CN112763180A公开了一种声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，虽然能快速预测受电弓模型气动噪声，但并未将其与流场结合，并且需要配合实验数据库得到测理论模型的各项系数。需要大量噪声实验测量的同时也无法将流致噪声与流场结合分析。
[0005]又如专利申请号CN111608927A公开了一种离心泵流场
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压力场
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声场同步测量的装置和方法。提到了需要用消声水洞抑制节流阀的流致噪声，此外还需要在水听器附近安装抑振器减小管路噪声的水声信号测试的影响。这些用于消除额外环境噪声的改进仪器构建的使用无疑会增大实验的成本与难度。
[0006]PIV测量技术具有非侵入，全局测量的优点。时间解析PIV测量则在PIV测量技术上拓展了时间维度，能捕捉到流场的高频速度信息，可从中解析出流场的高频动力学特性。通过时间解析PIV所测得的流场速度信息直接预测流致噪声，不仅能避免额外声源与环境噪声的引入，而且能将流场速度信息与流致噪声耦合，为流致噪声的抑制技术提供理论指导。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术旨在提供一种基于平面时间解析PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法。该方法通过压力场重构，声比拟噪声预测，展向相关性修正等一系列技术，得到考虑三维效应的远场流致噪声。将远场流致噪声与流场耦合，可直观地从流场角度分析流致噪声的产生机理，为后续流致噪声抑制技术提供指导。并在通过平面时间解析PIV测量获得流场高频速度信息的同时，附带给出流场的高频压力信息，有利于流场的动力学分析。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法，其包括如下步骤：1）通过平面时间解析PIV测得流场中的高频速度信息；2）基于流场高频速度信息,通过欧拉法求得流场压力梯度，构建并求解泊松方程，重构流场高频压力信息；3）通过Curle声比拟方法求得远场声压，获得远场流致噪声信息；4）通过展向平面时间解析PIV测量，获得流场流向速度的展向分布信息；5）对流向速度进行展向相关性分析，基于流向速度展向相关性修正流致噪声，得到考虑三维效应的远场流致噪声信息。
[0009]作为本专利技术的优选方案，所述的步骤1）具体为：利用同步器将高频双腔激光器和CMOS高速相机同步以采集和储存流场粒子图像，采集到的粒子图像通过PIV分析处理得到流场的高频速度信息。
[0010]作为本专利技术的优选方案，所述的步骤2）具体为：通过欧拉法求得流场压力梯度，对压力梯度取散度得到拉普拉斯算子构建泊松方程；给定方程的边界条件，通过迭代法求解各个时刻速度场对应的泊松方程，得到时间解析压力信息，重构流场高频压力信息。
[0011]作为本专利技术的优选方案，步骤3）所述的通过Curle声比拟方法求得远场声压为：基于时间解析PIV所测得的高频速度信息与重构的高频压力信息计算Curle声比拟模型中的声源项，得到远场声压；计算各个时刻速度场对应的声压，求得时序声压信息，进一步求得流致噪声在频域下的声压级。
[0012]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果包括：1.本专利技术通过对指定声源流场进行PIV测量、并基于PIV测量速度信息进行压力场重构、声比拟预测与展向相关性修正等技术，克服了传统流致噪声测量引入其他噪声的缺陷，获得了指定流场不含环境噪声的远场噪声信息；2.本专利技术通过进行流向与展向两次平面时间解析PIV、结合展向相关性修正技术，克服了传统多物理场采集需要考虑各设备干扰、成本高的缺陷，仅仅通过平面PIV测量便预测了考虑三维效应的远场流致噪声，并同时获得了流场的高频压力信息，同步获得了流场的速度、压力与噪声信息，为后续流场多物理量耦合分析提供了数据支持；3. 本专利技术通过对指定声源流场进行PIV测量、压力场重构、声比拟预测与展向相关性修正等技术，直接将流场信息与远场流致噪声耦合，可为后续流致噪声抑制技术提供理论指导。
附图说明
[0013]图1为本专利技术实施例提供的基于平面时间解析PIV预测流致噪声的流程示意图。
[0014]图2为本专利技术实施例提供的平面PIV实验总体布置图。
[0015]图3为本专利技术实施例提供的PIV测试区域及指定声源示意图。
[0016]图4为本专利技术实施例提供的瞬时压力云图。
[0017]图5为本专利技术实施例提供的基于流向速度的展向相关系数分布图。
[0018]图6为本专利技术实施例提供的基于流向速度的展向相关长度图。
[0019]图7为本专利技术实施例提供的未修正的声压级，基于流向速度展向相关性修正后的声压级，水听器测量声压级对比图。
[0020]其中，2
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1、高频双腔激光器，2
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2、PIV光学镜组，2
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3、流场测量视窗，2
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4、反光镜，2
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5、CMOS高速相机，2
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6、数据采集分析系统，2
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7、同步器。
具体实施方式
[0021]下面通过具体实施例对本专利技术的方法技术做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限制作用：如图1所示，本实施例提供了一种基于平面时间解析PIV预测流致噪声的方法，包括以下步骤：(1)通过平面时间解析PIV获取流场速度信息。
[0022]根据实验待测流场工况搭建相应的实验平台，其总体布置如图2所示，包括高频双腔激光器2
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1、 PIV光学镜组2
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2、流场测量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1）通过平面时间解析PIV测得流场中的高频速度信息；2）基于流场高频速度信息,通过欧拉法求得流场压力梯度，构建并求解泊松方程，重构流场高频压力信息；3）通过Curle声比拟方法求得远场声压，获得远场流致噪声信息；4）通过展向平面时间解析PIV测量，获得流场流向速度的展向分布信息；5）对流向速度进行展向相关性分析，基于流向速度展向相关性修正流致噪声，得到考虑三维效应的远场流致噪声信息。2.根据权利要求1所述的基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法，其特征在于，所述的步骤1）具体为：利用同步器将高频双腔激光器和CMOS高速相机同步以采集和储存流场粒子图像，采集到的粒子图像通过PIV分析处理得到流场的高频速度信息。3.根据权利要求1所述的基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法，其特征在于，所述的步骤2）具体为：通过欧拉法求得流场压力梯度，对压力梯度取散度得到拉普拉斯算子构建泊松方程；给定方程的边界条件，通过迭代法求解各个时刻速度场对应的泊松方程，得到时间解析压力信息，重构流场高频压力信息。4.根据权利要求1所述的基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法，其特征在于，步骤3）所述的通过Curle声比拟方法求得远场声压为：基于时间解析PIV所测得的高频速度信息与重构的高频压力信息计算Curle声比拟模型中的声源项，得到远场声压；计算各个时刻速度场对应的声压，求得时序声压信息，进一步求得流致噪声在频域下的声压级。5.根据权利要求4所述的基于平面PIV的预测指定声源远场流致噪声的方法，其特征在于，所述的远场声压的计算公式为：其中,等号右边第一项和第二项分别为偶极子和四级子，为时序声压信号，、表示以流场声源为坐标原点，观测者为终点位移的分量；...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶青青，陈朗生，陈奕宏，邵雪明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：