水力旋涡哨结构优化研究

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本文以旋涡哨为研究对象,作为流体动力式发声器,它具有构造简单、操作简便、造价低廉等特点,广泛应用于工业清洗、冷却、乳化以及雾化,但长久以来,旋涡哨受发声效率较低这一缺陷的限制,没有得到更为广泛的应用。为了提高旋涡哨的工作效率,本文从传统结构旋涡哨出发,以水为介质,分析传统旋涡哨结构变化对于其发声效率的影响,并引入来复线结构,进一步改善旋涡哨的发声性能。首先对于旋涡哨的研究背景以及研究的意义所在作简单介绍,梳理了气动声学及旋涡哨的发展概况和研究进展。接着阐述了旋涡哨相关的计算流体力学及气动声学理论基础,对计算过程中所必需的方程进行了解以及作简单的推导。具体针对于旋涡哨的工作内容可分为两部分:首先是在分析已有的空气旋涡哨实验结果的基础上,设计本文旋涡哨的基本结构,在此基础之上,探讨入口压强对于旋涡哨发声性能的影响,发现随着入口压力的增大,旋涡哨的发声频率及声压级都会增大。其根本是在于入口压强的增大引起流场更加剧烈的运动,认为旋涡哨主要的发声源为偶极子,是由于流体和壁面相互作用而产生的。之后为了验证“当旋涡哨出入口管径比为2时,旋涡哨辐射声能量最大”的结论是否适用于水中,只改变出口管的管径大小,由结果发现随着出入口管径比值的增大,旋涡哨发声频率整体呈增高的趋势,而声压级则逐渐减小。分析流场结果,发现在出口管管径增大的情况下,旋涡哨内流体的流速也在不断增大,加剧了流体于壁面的相互作用,提高了旋涡哨发声频率;而相应的,伴随管径增大,旋涡哨的产生的声能量愈加的发散,意味着声压级不断在降低。后续考虑到旋涡哨整体结构按比例变化所产生的影响,对旋涡哨进行整体的等比例缩放,发现在旋涡哨整体逐渐变大的情况下,发声频率不断的在减小,而声压级则不断增大。观察腔内速度分布,发现随着旋涡哨尺寸的变大,不同比例的情况下旋涡哨内流体速度大小差别甚微,而在速度相同的情况下,半径越大使得角速度越小,则流体作涡旋运动的频率也越小,而旋涡哨的发声基于其流场表现,因此其发声频率频率也逐渐减小;而在旋涡哨尺寸变大之后,观察声功率密度谱图发现声能量的大小和集中性都有所提升,即声压级不断增大。最后在旋涡哨出口管处增加了来复线结构,分析结果表明来复线型出口旋涡哨与传统旋涡哨相比,发声频率有着显著的提升。后续为了进一步提升来复线型出口旋涡哨的改善效果,对来复线间距、来复线深度以及来复线数量所会造成的影响进行探究,发现这三者对于来复线型出口旋涡哨的发声效能都具有一定的影响,其中来复线的间距及深度对于旋涡哨的影响并非是单调性的,都存在着能够最大化来复线增益效果的最佳值。
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