1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 选题的目的及意义
流动噪声是一种经常遇见的噪声，如气体掠过障碍物、腔室、凹槽、柱体、机翼等产生的噪声都属于此类。工业过程中,变截面管道的应用随处可见,但由于变截面管道内部流体的流动会产生很强的振动和流动噪声。另外在人们生活中比较常见的流动噪声就是管道内部的流动噪声，诸如空调管道噪声，冰箱管道噪声，暖气管道噪声，自来水管道噪声，风机管道噪声以及楼宇间的进排水管道噪声等[1]。因此，研究流噪声的机理、特性，掌握它的发声规律，流动速度以及变截面管道截面变化处过渡形式对变截面管道内部流噪声的影响，所得结果有利于指导变截面管道的设计，进而降低流噪声在现实生活中对人们的干扰和危害，具有十分重要的意义。
1.2 流噪声历史发展
19世纪中叶，英国科学家瑞利勋爵发表了集经典声学之大成的不朽名著《声学原理》，该书总结了19世纪及前二三百年的大量声学研究成果，开创了现代声学研究的先河。然而当人们试图解释树叶随风摇曳的沙沙声响，风吹打电线后的悦耳的风鸣声时，发现对诸如此类流体发声的机理的研究是十分的医乏。直到二次世界大战以后，随着各国普遍重视发展民航工业的时候，降低飞机机翼产生的流动噪声成了一个迫切需要解决的课题，大家才开始对气体流动噪声的机理进行越来越多的研究，随之形成了气动声学这门学科。
气动声学是气体动力学和声学之间交叉性的分支学科，着重研究流动本身及流动与物体作用产生噪声的机理。气动声学理论上是以1952年Lighthill[2]建立声学比拟理论为诞生标志，此理论将整个流场分为近场和远场。近场为声源区，包括声能量源、声和流动的相互作用(如声的散射、输运、衰减等)，在这一区域，所有的流动参数认为是已知的。远场为声的传播区域，Lighthill假定该区域是均匀静止的无界介质Lighthill的气动声学比拟理论大大地简化了气动声学的物理模型，但是其仅局限于自由空间假设。经过近50年的发展，气动声学预测理论正逐渐走向成熟，噪声预测方法也由早期的经验公式到理论估算发展到今天采用精确的理论模型。
1.3 流噪声研究现状

流噪声理论方面贡献最大且最为常用的是Ffowcs-williams-Hawkings方程(简称FW-H方程)。FW-H方程是由英国学者福茨#8226;威廉姆斯（Ffowcs-willams )及霍金斯(Hawkings)在1969年提出的[3]，运用广义函数理论推导出在静止流体中作任意运动的控制面的发声方程。 FW-H方程是将流体力学N-S方程按非齐次波动方程形式重新整理而成，能够精确地描述在静止流体中作任意运动的物体与流体相互作用的发声问题是气动声学的理论基础之一。求解FW-H方程无疑具有重要的理论意义和应用价值。

FW-H方程虽然提供了一个声场的精确运动方程，但如何求解该方程却成为一个很现实的问题。在20世纪70年代以前，由于受计算机计算速度和容量的限制，噪声预测普遍采用频域方法(即在频域内求解)，因为时域方法对计算机计算能力的要求比频域方法高。但是频域方法计算公式复杂，对于近场噪声的处理尤为困难，且不利于数值计算，故频域法求解FW-H方程一直未得到广泛应用。Farassat发展了求解FW-H方程的时域方法，他运用广义格林函数积分得到了著名的FarassatlA公式[4] 。

FarassatlA公式可以很方便的求出厚度噪声和载荷噪声,使求解一方程的时域方法迅速进入工程应用领域,为现代气动声学的研究奠定了基础。在运用公式的初期,运用简化的流体动力学理论结合公式可以得到令人满意的低、亚音速运动噪声,但对于跨音速流动,流动的非线性效应和四极子噪声问题的出现,使得这种方法无法胜任,而后发展了运用技术同一方程结合的数值方法来预测噪声,即先对流场进行数值计算,得到流动解,然后用公式计算出厚度和载荷噪声,运用四极子噪声简化计算方法求出四极子噪声[5]。但作为体积分项的四极子噪声,计算量大得惊人,直到现在仍然是一个非常棘手的问题。噪声预测的另一条思路是结合CFD和Kirchhoff公式的数值方法[6],可以通过包含非线性区的声源面的面积分,得到总的气动噪声,回避了直接求解四极子噪声所面临的困难,有成为流噪声计算的主流趋势。Kirchhoff公式在1882年首次发表，最初是用于光的衍射问题，后来推广到描述声场运动;1930年Morgans用格林函数法导出了运动声源面的Kirchhoff公式;1955年Farassat[7]使用广义函数理论导出了Kirchhoff公式更一般的形式，它允许声源面作任意的运动。
Farassat和Myers[8]导出的Kirchhoff公式，由于便捷和易于工程应用等特性而迅速得到认可，并在80年代末、90年代初成为噪声预测的主流之一。
90年代末，Francescantonio[9]，和Brentner[10]等人借用Kirchhoff方法的思想，FW-H方程的求解进行改进，得到了一种新的噪声预测方法K-FWH方法，即借用CFD/Kirchhoff方法思路来求解FW-H方程，将Farassat1A公式的积分面推广到包含物面的任意可穿透曲面，通过这样一个包含近场非线性区的面积分得到总的气动噪声。目前，运用K-FWH方法预测流噪声处于正成为各国学者研究的热点。可以说，90年代末将计算流体力学技术与气动噪声理论的结合标志着流噪声的预测己逐渐走向成熟阶段。在国内，从能查到的资料上看，在使用CFD技术与FW-H方程或是Kirchhoff公式预测噪声则尚处于起步阶段，在气动噪声预测方面，运用K-FWH公式预测流噪声的研究，这在国内尚属首次。
随着计算机计算能力的大幅提高，一种新兴的方法—大涡模拟方法(LES)得到广泛应用，目前大涡模拟方法(LES)己被广泛应用于预测和分析流动噪声[11-19]。何子干，倪汉根[20]以及刘有军[21]分别应用大涡模拟方法分析和计算了后台阶结构的流动噪声。Seung[22]在2008年应用大涡模拟方法计算了开口腔室的内部流噪声。Ashcroft和Takeda[23]等人在2003年同样应用大涡模拟方法计算和分析了半开口腔室的内部流动噪声。刘厚林，丁剑[24]基于大涡模拟对离心泵水动力噪声数值进行模拟。潘雨村大涡模拟方法研究湍流边界层流动噪声[25]。这些人的成功使人们看到了大涡模拟方法用于解决流噪声的美好前景。
与流体力学一样，理论分析、实验研究和数值模拟是研究气动噪声的三种基本手段。传统的气动声学的研究主要以理论分析和实验研究为主，但是，实验研究成本高，周期长，费时费力，受客观条件限制较多，而且不能提供完整的物理信息，随着计算技术的发展和高速计算机的出现，人们逐渐将数值模拟作为主要研究方法并辅以实验[26]。与实验研究相比，数值模拟能够提供研究人员所需的各项数据，而且能降低实验研究成本，为实验提供最优的实验方案，从长远发展来看，对湍流本质的研究也离不开数值模拟[27]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 选择大涡模拟方法(les)来进行变截面管道内流噪声的数值计算研究。

2.2 借助ansys workbench分析软件，建立变截面管道模型。

2.3 利用fluent软件计算变截面管道内流噪声特性。

3. 研究计划与安排

2018年03月1日--03月15日: 调研，拟定提纲，完成《开题报告》。

2018年03月15日--03月25日: 阅读参考文献，熟悉数值仿真的基本流程。

2018年04月05日--05月01日: 建立变截面管道模型。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 谭孔庚,梁荫.气流噪声治理及设计[J].四川环境,2000(01):37-43.
[2] Lighthill M J. The Bakerian Lecture, 1961. Sound Generated Aerodynamically[J]. Proceedings of the Royal Society A, 1962, 267(1329):147-182.
[3] Williams J E F, Hawkings D L. Sound generation by turbulence and surfaces in arbitrary motion.[J]. Phil.trans.roy.soc, 1969, 264(1151):321-342.
[4] 韩忠华,宋文萍,乔志德.基于FW-H方程的旋翼气动声学计算研究[J].航空学报,2003(05):400-404
[5] 范钱旺. 四缸柴油机排气消声器声学特性仿真分析及试验研究[D]. 昆明理工大学, 2007.
[6] Deardorff J W. A numerical study of three-dimensional turbulent channel flow[J]. J Fluid Mechanics, 1970, 1(2):453-480.
[7] Farassat F. The Kirchhoff Formulas for Moving Surfaces in Aerocoustics – The Subsonic and Supersonic Case[J]. 1996.
[8] Farassat F, Myers M K. Extension of Kirchhoff's formula to radiation from moving surfaces[J]. Journal of Sound amp; Vibration, 1987, 123(3):451-460.
[9] Francescantonio P D. A NEW BOUNDARY INTEGRAL FORMULATION FOR THE PREDICTION OF SOUND RADIATION[J]. Journal of Sound amp; Vibration, 1997, 202(4):491-509.
[10] Brentner K S, Farassat F. An Analytical Comparison of the Acoustic Analogy and Kirchhoff Formulation for Moving Surfaces[M]. NASA Langley Technical Report Server, 1997.
[11] Itoh Y, Tamura T. Large eddy simulation of turbulent flows around bluff bodies in overlaid grid systems[J]. Journal of Wind Engineering amp; Industrial Aerodynamics, 2008, 96(10):1938-1946.
[12] Müller S B, Kleiser L. Large-eddy simulation of vortex breakdown in compressible swirling jet flow[J]. Computers amp; Fluids, 2008, 37(7):844-856.
[13] Ono Y, Tamura T, Kataoka H. LES analysis of unsteady characteristics of conical vortex on a flat roof[J]. Journal of Wind Engineering amp; Industrial Aerodynamics, 2006, 96(10):2007-2018.
[14] Luo X Y, Hinton J S, Liew T T, et al. LES modelling of flow in a simple airway model.[J]. Medical Engineering amp; Physics, 2004, 26(5):403.
[15] Ali I, Escobar M, Kaltenbacher M, et al. Time domain computation of flow induced sound[J]. Computers amp; Fluids, 2008, 37(4):349-359.
[16] Kit L. LARGE-EDDY SIMULATION OF FLOW AROUND CYLINDER ARRAYS AT A SUBCRITICAL REYNOLDS NUMBER[J]. 水动力学研究与进展 B辑, 2008, 20(4):403-413.
[17] Lai H, Luo K H. Large-Eddy Simulation and Control of Cavity Aeroacoustics[J]. 2007.
[18] Larchevêque L, Sagaut P, Mary I, et al. Large-eddy simulation of a compressible flow past a deep cavity[J]. Physics of Fluids, 2003, 15(1):193-210.
[19] Boersma B J, Lele S K. Large eddy simulation of compressible turbulent jets[J]. 1999:265--377.
[20] 何子干, 倪汉根. 大涡模拟法的二维形式[J]. 水动力学研究与进展, 1994(1):30-36.
[21] 刘有军. 平面突扩流动非稳定性的大涡模拟[J]. 计算力学学报, 1998, 15(2):186-191.
[22] Yoo S P, Lee D Y. Time-delayed phase-control for suppression of the flow-induced noise from an open cavity[J]. Applied Acoustics, 2008, 69(3):215-224.
[23] Ashcroft G B, Takeda K, Zhang X. A numerical investigation of the noise radiated by a turbulent flow over a cavity[J]. Journal of Sound amp; Vibration, 2003, 265(1):43-60
[24] 刘厚林, 丁剑, 王勇,等. 基于大涡模拟的离心泵水动力噪声数值模拟[J]. 机械工程学报, 2013, 49(18):177-183.
[25] Pan Y C, Zhang H X. LES Method for Investigation of Noise Generated by Turbulent Boundary Layer[J]. Journal of Ship Mechanics, 2009, 13(6):990-1001.
[26] 赵学端. 粘性流体力学[M]. 机械工业出版社, 1993.
[27] 王福军. 计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M]. 清华大学出版社, 2004.