声场对流场影响的研究_王连泽
机械设计中的流体力学与声学的耦合分析
机械设计中的流体力学与声学的耦合分析流体力学和声学是机械设计中两个重要的研究领域，它们分别涉及了液体和气体的运动规律以及声音的传播特性。
然而，在实际的机械设计中，流体力学和声学常常会相互影响并产生耦合效应，这给工程师们带来了更复杂的挑战。
本文将探讨机械设计中的流体力学与声学的耦合分析，并介绍一些常用的分析方法和工具。
一、流体力学与声学的基本原理在开始讨论耦合分析之前，我们先了解一下流体力学和声学的基本原理。
1. 流体力学基本原理流体力学研究的是液体和气体在力的作用下的运动规律。
其中，流场的分析是流体力学的核心内容之一。
流场描述了流体在一定空间范围内的流动情况，涉及了流速、压力、密度等物理量的分布与变化。
2. 声学基本原理声学研究的是声波的传播和声学现象的产生机制。
声波是由震动物体引起的一种机械波，通过传递粒子振动而进行能量传播。
声学研究包括声波的传播特性、声音的产生、传播和接收等内容。
二、流体力学和声学的耦合效应在实际的机械设计中，流体力学和声学常常会相互耦合，即互相影响并产生一系列的耦合效应。
1. 流体力学对声学的影响流体力学的运动和振动会引起相应的声音辐射和传播。
例如，当流体通过管道流动时，会产生噪声；流体的瞬时加速度和速度剖面对声压信号的谱分布也会有影响。
2. 声学对流体力学的影响声波在流体中的传播也会对流体力学产生影响。
声波的压力变化会改变流体中的密度分布和速度场，从而影响流体力学的运动规律。
例如，在流体中传播的声波可以改变流体的湍流结构和界面形态。
三、流体力学与声学耦合分析方法为了更准确地分析机械系统中的流体力学与声学的耦合效应，工程师们发展了一系列的分析方法和工具。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的耦合分析方法。
通过建立流体力学和声学的数学模型，采用有限元、有限差分或其他数值计算方法对系统进行计算。
这种方法可以模拟系统内部的流场和声场，并定量分析其耦合效应。
2. 实验测试方法实验测试方法是另一种常用的耦合分析方法。
使用单水听器定位浅水中的脉冲声源
、 、
、
，
（ ］ ０ ，
、
、 、
、ｏ
图 １ 浅 海 中 的本 征 声 线 示 意 图
Ｆ ｇ １ Ｉｌ ｔａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｅ ｒ ｙｓ ｉ ｈａ ｌ ｗ ｔ ｒ ｉ ． ｌｕｓｒ ｔｏ ｆ ｅ ｇ ｎ ａ ｎ ｓ ｌｏ ｗａ ｅ
位 的基 本理 论 ， 析 了声 波在 水 底 和水 面上 的反 射 分 特性 ， 然后使 用基 于 凸 集投 影 的高 分 辨信 道 辨 识 算
度 的影 响 ， 后利 用 湖 上试 验 数 据 来 验证 定 位 方 法 最
的 可 行 性
ｒ＋（ｓ ） ｃ ： —２ ＝ ２ ，
ｒ ＋（ 一 ） ＝ ２， Ｃ７． － ２
（） ３
（） ４
１ 时 延 差 定 位 的 基本 原 理
在浅 水 中 ， 通过 声传播 的射 线理 论模 型 ， 以计 可
Ａｂｓ ｒ ｔ ｔａｃ ：Ａｉ ｄ ａ ｏ ｅ ｅ ｔｍｕ ｐ ｔ ｔｕｃｕ ｅ ｏ ｈ ｎ ｅ ｗａｅ ｃ ｕ ｔ ｈ ｎ ｌｉ ｈ ｌ ｗ ｔｒ，ａ ｍｅ ｔｃ ｈ ｒ ｎ ｈｉ ａｈ ｓｒ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｕ ｄ ｒ ｔｒ ａ ｏ ｓｉ ｃ ａ ｎｅ ｎ ｓ ａｌ ｃ ｏ ｗａｅ
２．ｎ ｔ ｕｅ ｏ ｄ ｒ ｔｒＡｃ ｕ ｔｃ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ Ｉｓｉ ｔ ｆＵｎ ｅ ｗａｅ ｏ ｓｉ ｇｎ ｅｉ ｇ，Ｓ ｈ ｏ ｆＮａ ａ ｃ ｔｃｕ ｅ，Ｏｃ ａ ｎ ｖｌＥｎ ｉ ｅｉ ｇ， ｔ ｃ ｏ ｌｏ ｖｌＡｒｈｉ ｔｒ ｅ ｅ ｎ ａ ｄ Ｃｉｉ ｇｎｅ ｒｎ
ｍｕ ｐ ｔ ｉ ｅａ ｓｉ ａｉ ｎ ｈｉ ａｈ ｔｍｅ ｄ ｌ ｙ ｅ ｔ ｔｏ ｍ
Ｏ 引 言
常规 的水 声定 位系 统都 是利 用声 信号 到 达各水
超声波衰减
波，由
c
c
s
c
cs
c >c
c
c
ϕ标志的波通常称为纵波，由ψ标志的波通常称为横波，后面我们所
要讨论的声波即为平面波。
ρ
2
2
λ+
c
c=
μ
(2-8)
2
ρ
μ
=
s
c
4第一章绪论
1.1引言
超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为
1.1引言........................................................1
1.2本文的主要工作..............................................2
第二章固体中声波基础理论及相关计算.................................4
5.2井间地震管波的实验观测.....................................38
5.3井间地震管波的传播机制.....................................43
5.4井间地震管波的削弱.........................................44
的波动方程：
(25)
1
2
2
2
2
−
∂
∂
∇=
ct
c
ϕ
ϕ
(26)
1
2
2
2
2
−
∂
∂
=
ct
s
ψ
海洋技术 声速剖面主导的浅海声传播最佳深度规律研究
海洋技术▏声速剖面主导的浅海声传播最佳深度规律研究近年来，水声学研究的重点逐渐从深海转到浅海，我国沿海海域多为浅海，研究浅海声场声学特性无论是从军事战略的角度，还是经济发展的角度考虑，都有其重要作用。
如何更好、更高效地在浅海进行声呐探测和水声通信一直是水声界关注的焦点，也是实际应用上的难题。
浅海的波导声学特性相对于深海更加复杂。
波导的上、下界面分别受海面和海底边界条件的制约，由于边界条件不同，声能量在深度方向上的分布并不均匀，当传播距离一定时，不同深度的声能量差异可达20dB。
因此，接收点位置的选取对声信号接收效果的影响很大，如何更好地选择接收点深度以最大程度地提高声学探测和水声通信能就显得十分重要。
在给定声源位置的情况下，垂直方向的声传播损失最小点被称为最佳深度。
最佳深度的选取可以优化接收效果，如被动声呐放置在最佳深度可以提高目标探测的概率。
国内外学者针对最佳深度做了一定的研究。
Weston首先对声场的平均声强进行了研究，通过计算等声速梯度条件下深度方向上的距离平均声强，发现了最佳深度现象，并用声强解释了该现象形成的原因。
而后，Gershfeld等通过对声传播损失和信噪比的计算，得出浅海声传播的最佳深度与声源点深度相同的结论，并研究了声源位置、海底类型和声源频率对最佳深度的影响。
以上都是针对给定声源情况而计算的最佳深度。
Ferla等通过计算声呐的检测半径，对声源深度未知时的最佳深度位置进行了研究，得出在声源深度未知时，接收点深度选择在声速最小处时接收效果最佳的结论。
王晓宇等分别对理想Pekeris波导和实际浅海分层波导下的水平线列阵最佳布放深度进行研究，得出了最佳布放深度应与声源深度相同的结论。
范培勤等通过将深度方向的声传播损失转化为检测概率，研究了声呐最优工作深度、正梯度和负梯度声速剖面下的最佳深度，得出声呐应放置在声速较小深度的结论。
现有的研究大多只针对等声速梯度情况下的声传播最佳深度现象，有关声速剖面对最佳深度影响的研究则十分有限，且相关研究选取的声速剖面类型也较少，没有系统、全面地研究其对最佳深度的影响。
多声道超声波流量计内部流-声耦合特性仿真分析
doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020100129多声道超声波流量计内部流-声耦合特性仿真分析马雪林1， 徐 雅1， 谢代梁1， 徐志鹏1， 曹松晓1， 胡鹤鸣2(1. 中国计量大学 浙江省流量计量技术重点实验室 ， 浙江 杭州 310018; 2. 中国计量科学研究院， 北京 100029)摘 要: 时差法超声波流量计的测量精度的提升难点在于明晰声波在其内部的传输问题。
为探究在水流量测量中多声道超声波流量计的使用及其流-声耦合特性，对一个DN200的5声道超声流量计进行流-声耦合的数值模拟研究。
利用RKDG 法求解声传播方程，定量分析不同声道截面下流速分布、换能器端面的声压信号分布，并给出不同声道下声波在管道流体中的传播动力学过程，分析声波与管壁之间的相互作用及其对信号传输的影响，得到该模型下不同流速时的系统计算误差。
该仿真分析中所涉及的流-声耦合特性研究结果对多声道超声波流量计测量性能的提升具有重要意义。
关键词: 多声道; 超声波流量计; 流声耦合; 数值模拟中图分类号: TH814; TN64文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2021)05–0123–06Simulation analysis of flow-acoustic coupling characteristics inmultichannel ultrasonic flowmeterMA Xuelin 1, XU Ya 1, XIE Dailiang 1, XU Zhipeng 1, CAO Songxiao 1, HU Heming 2(1. Key Laboratory of Flow Measurement Technology of Zhejiang Province, China JiliangUniversity, Hangzhou 310018, China; 2. National Institute of Metrology, China, Beijing 100029, China)Abstract : The difficulty in improving the measurement accuracy of the time difference ultrasonic flowmeter is to understand the internal sound wave transmission problem. In order to explore the use of multichannel ultrasonic flowmeter in water flow measurement and its flow-acoustic coupling characteristics, a numerical simulation study of flow-acoustic coupling was carried out on a DN200 5-channel ultrasonic flowmeter. The RKDG method is used to solve the sound propagation equation, the velocity distribution on the sound channel and the sound pressure signal distribution on the end face of the transducer are quantitatively analyzed, get the dynamic process of sound wave propagation in pipe fluid under different sound channels, the interaction between acoustic wave and tube wall and its influence on signal transmission are analyzed, the system calculation error at different flow rates under this model is obtained. The research results of the flow acoustic coupling characteristics involved in the simulation analysis are of great significance to the improvement of the measurement performance of the multichannel ultrasonic flowmeter.Keywords : multichannel; ultrasonic flowmeter; flow-acoustic coupling; numerical simulation收稿日期: 2020-10-30；收到修改稿日期: 2020-11-10基金项目: 国家重点研发计划（2018YFF0216001）作者简介: 马雪林（1996-），女，宁夏固原市人，硕士研究生，专业方向为超声波流量测量。
水声传播中的声场特性与影响因素研究
水声传播中的声场特性与影响因素研究在我们生活的地球上，水覆盖了大部分的表面。
而在水下世界，声音的传播有着独特的特性和规律。
水声传播中的声场特性及其影响因素的研究对于海洋科学、声学工程、军事应用等众多领域都具有极其重要的意义。
首先，我们来了解一下水声传播中的声场特性。
声场，简单来说，就是声音在水中传播所形成的区域。
在这个区域中，声音的强度、频率、相位等特性都会发生变化。
声音在水中传播时，其强度会随着距离的增加而逐渐减弱。
这是因为水对声音具有吸收作用，就像海绵吸水一样，声音的能量会被逐渐消耗。
而且，这种吸收作用与声音的频率有关，通常高频声音更容易被吸收，这就导致了在远距离传播时，低频声音相对更容易被检测到。
另一个重要的声场特性是声音的传播速度。
与在空气中不同，声音在水中的传播速度要快得多，大约是 1500 米每秒。
但这个速度并不是恒定不变的，它会受到水温、水压和盐度等因素的影响。
例如，水温升高时，声音传播速度会增加；水压增大时，传播速度也会有所提高；而盐度的变化同样会对传播速度产生一定的影响。
除了强度和传播速度，声音在水下传播时还会发生折射和反射现象。
这就好比光线在不同介质中传播时会改变方向一样。
当声音从一种水层传播到另一种具有不同物理特性的水层时，就会发生折射。
而当声音遇到障碍物，如海底、海面或大型物体时，会发生反射，一部分声音能量会被反射回去。
接下来，我们探讨一下影响水声传播的因素。
水温是一个关键因素。
不同的水温会导致水的密度和压缩性发生变化，从而影响声音的传播速度和吸收特性。
在海洋中，水温通常会随着深度和地理位置的变化而变化，形成复杂的温度分层结构，这会对水声传播产生显著的影响。
水压也是不可忽视的因素。
随着水深的增加，水压会不断增大，这会使得水的密度增加，从而改变声音的传播特性。
盐度同样对水声传播有着重要影响。
海水中的盐度分布不均匀，高盐度的海水和低盐度的海水在声学特性上存在差异，这会导致声音在传播过程中发生折射和反射。
旋风分离器内流场的数值模拟及方法分析
环 境 工 程 2004 年 4 月第 22 卷第 2 期
39
旋风水膜除尘器的捕尘性能和结构设计
陈喜山 梁晓春 玄克勇
( 青岛建 筑工程学院 , 山东 青岛 266520) 摘要 关键词 借助于 Leith 和 Licht 的边界层 分离理论 , 对轴向出风旋风水膜除尘器的捕尘性能 进行了分 析 , 得出 了捕尘效 率 旋风水膜除尘器 边界层分离理论 捕尘空间 相似准数
文献[ 3] 给出了修正后所采用的模拟常数, 标准 模型的模拟常数列于附表。
附表
模拟常数 标准 k 模型 C 0. 09 0. 09
湍流模型中的常数
C1 1. 44 1. 15 C2 1. 92 1. 90 C3 0. 25
k
1. 00 0. 75
1. 33 1. 15
Chen K im 修正
3
模拟工况及计算方法 为了简化便于给定边界条件和划分网格 , 作者对
法 , 离散后的代数方程组用交替方向的 TDMA 算法 进行求解至收敛。
阻杆减阻机理研究 ( No. 10172055) 。
38
环 境 工 程 2004 年 4 月第 22 卷第 2 期
数值计算的边界条件为: ( 1) 入口根据流量给定旋转速度和径向速度, 轴 向速度为零。 ( 2) 出口给以湍流充分发展条件 压力基准。 ( 3) 轴线上旋转速度和径向速度均为零 , 其它变 量为 z = 0。 ( 4) 固体壁面为无滑移条件 , 采用壁面函数 行相应的修正。
求解区域进行了简化 , 简化后的计算工况见图 1。其 中, H = 475 mm, H in = 90 mm, R = 2 r = 95 mm, H s 2 5r
[ 4]
H in 控制方程的求解 采用交错网格下的 SIMPLE 方
水下声场的时域与频域分析
水下声场的时域与频域分析哎呀，说起水下声场的时域与频域分析，这可真是个有趣但又有点复杂的话题。
咱们先来说说时域分析。
想象一下，你在游泳池里，“噗通”一声跳进水里，然后听到的那一连串声音，从入水的瞬间到声音渐渐消失，这整个过程就是一个时域的变化。
比如说，你能明显感觉到刚入水时声音特别响亮，然后慢慢变小，这就是声音在时间轴上的变化。
在实际的水下声场研究中，时域分析就像是给声音拍了一部“时间纪录片”。
通过各种仪器和技术，我们能捕捉到声音在不同时刻的强度、相位等信息。
我曾经在一次海洋考察中，亲身经历了这样的情况。
当时我们的团队在一艘科考船上，为了研究海底地质结构对水下声场的影响，投放了一系列的声学传感器。
那一天，海面上风平浪静，可水下却是另外一个世界。
当传感器开始工作，数据源源不断地传输回来，我们在屏幕上看到的那些起伏变化的曲线，就是水下声场在时域中的表现。
就像我看到某个时刻的数据突然出现一个尖峰，大家都兴奋起来，猜测是不是遇到了特殊的海底地形或者海洋生物活动。
后来经过进一步的分析，发现原来是一群小鱼快速游过，它们搅动了水流，从而影响了声音的传播。
再来讲讲频域分析。
这就像是把声音拆分成不同的“音符”。
每种声音都有自己独特的频率组合，就像一首歌曲里有高音、低音。
比如说，海豚发出的叫声，在频域上就有特定的频率范围。
通过分析这些频率特征，我们能更好地了解它们在交流什么。
有一次，我在水族馆里观察海豚表演。
看着它们欢快地跳跃、鸣叫，我就在想，这些可爱的小家伙们发出的声音，在频域上会是怎样一番景象呢？是不是有一些隐藏的信息，是我们人类还没有解读出来的呢？总之，水下声场的时域与频域分析，就像是打开了一扇通往神秘水下世界的窗户。
通过深入研究，我们能更好地了解海洋中的各种现象，保护我们的蓝色家园。
希望今天我讲的这些能让你对水下声场的时域与频域分析有那么一点点的了解，要是能引起你的兴趣，那就更好啦！。
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河北人
声场对流场影响的研究 agglomeration[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1984, 76(3):841-849. [3] [4] [5] [6] [7] [8]
中图分类号
TB12
1 前言
气固两相流中固相与气相的分离 是机械 冶金 轻工 化工 电力 建材及环保等 诸多领域共同涉及的问题 在旋风分离器 袋式过滤器 静电收集器这些应用较多的分离 设备中 旋风分离器结构简单 造价低廉 能适用于各种场合但它不适合处理细小颗粒而 使分离效率较低 袋式过滤器分离效率很高但滤袋的耐热和抗结露性能不理想 静电收集 器分离效率很高但造价昂贵且不适合用于高温环境 因此 如果使欲分离的颗粒粒径变得 足够大 旋风分离器便能达到很高的分离效率且能适用于高温高压等特殊环境 这不仅大 大降低了资金投入 也解决了象 IGCC( 整体煤气化燃气 蒸气联合循环)和 PFBC-CC( 增压 流化床燃气 蒸气联合循环)这类能源梯级利用合理的高效发电新技术发展和推广中的关 键问题 声凝聚就是利用强声波使细小颗粒相互碰撞接触产生凝聚而变大的技术 是目前世界 范围内的众多学者致力研究的课题 作为声凝聚技术研究的基础――声凝聚机理的探讨 强声场对流场影响的研究则是个前提 因为颗粒能否碰撞接触而凝聚是由流动状态所决定 的 研究声场对流场的作用 特别是研究如何创造一个强湍流场 对声凝聚研究有十分 重要的实际意义 这方面的研究还很少 代表性的如 Chou 等[1]及 Tiwary 等[2]的研究报告
第17 卷第 5 期 2000 年 10 月 文章编号 1000-4750(2000)05-079-09
工
程
力
学
Vol.17 No.5 Oct. 2000
ENGINEERING
MECHANICS
声场对流场影响的研究
王连泽
(清华大学工程力学系
席葆树
北京 100084)
摘
要
借助于传声电容
传声放大器等声学测量仪器和热线风速仪等流场测量仪器及计算机 脉动速度 速度频谱 速度自相关 脉动速度和脉动声强互相关 流动速度会随声音信号同 声场进入非线性区
87
李嵩, 朱之墀, 等. 流动管道内利用旁通管反声降噪非线性问题的数值模拟[J]. 声学学报, 1997, 22(2): 158-166. 席葆树, 许宏庆, 等. 强声条件下管道气体流动特性的研究[J]. 流体力学实验与测量, 1999, 13(1): 1924. 盛森芝, 沈熊, 舒玮. 流速测量技术[M]. 北京: 北京大学出版社, 1987. 莫尔斯 P M, ( 美)著 杨训仁, 译. 理论声学[M]. 北京: 科学出版社, 1986. 申晓春. 声诱湍流和声凝聚的研究[D]. 清华大学, 1997. 王连泽. 声凝聚及声波除尘理论与技术的研究[R]. 清华大学, 1998.
THE EFFECT OF ACOUSTIC WAVE ON FLUID FLOW
WANG Lian-ze , XI Bao-shu
(Tsinghua University, Beijing 100084)
Abstract: Using of sound probe, sound-analyzing amplifier, hot-wire anemometer, computer data collecting and processing system, et al, the velocity wave patterns of fluid under various acoustic intensities were observed. Basing on the experimental results, the average velocity, pulsation velocity, frequency spectrum, velocity auto correlation, velocity and acoustic intensity cross correlation, et al, are calculated and analyzed. The experimental results show that the flow velocity field vacillates with the sound signal synchronously and proportionally. When the acoustic intensity reaches about 155dB, the sound field enters into a non-linear field and the signal pattern changes from sine wave to saw-tooth one, while the flow field changes in the same way. The oscillation and the non-linear effect induced by acoustic enhance the flow turbulence and will be beneficial to the particle agglomeration. Key words: high-intensity acoustic wave; modulation; turbulence
数据采集系统
本文实验观察了有无强声场叠加及不同声场强度时流场瞬时速度波形的变化 发现了强声对流场的调制作用
并对声场作用下的平均速度 步脉动 这些发现 关键词 且声强越大
等流动特征参数进行了计算与分析
速度脉动幅度越大
当声场强度超过约 155dB 时
波形从正弦波变为锯齿波 声波诱发的大幅度周期脉动及非线性效应 提高了流动的湍流特性 将有助于对声凝聚机理的进一步研究 强声场 调制 湍流 文献标识码 A