Page 27 - 《振动工程学报》2025年第8期

第 8 期 朱剑月，等： 串列海豹胡须柱杆件周围流场与气动噪声特性分析 1667

1 计算模型与方法

1. 1 数值模拟

本文研究的类圆柱杆件周围流动处于低马赫数
区域内，几何体结构表面压力脉动产生的面偶极子
声源是流动诱导噪声的主要声源，基于非定常不可
压缩 Navier‑Stokes 方程进行流场数值仿真。采用
开源软件 OpenFOAM 求解控制方程，空间和时间
离散采用二阶精度格式。基于 Spalart‑Allmaras 湍
流 模 型 的 延 迟 分 离 涡 模 型（delayed detached‑eddy
simulation， DDES）进行流场数值计算 ［22］ 。当瞬态
流 场 达 到 统 计 意 义 上 的 稳 定 后 ，根 据 Ffowcs
Williams‑Hawkings（FW‑H）声类比方法，以近场流
场数据作为源项对远场辐射噪声进行预测 ［23‑24］ 。

1. 2 模型与计算设置

各串列类圆柱杆件的几何模型如图 1 所示，三
种类圆柱杆件具有相同的特征长度。圆柱直径 D
为 30 mm，椭 圆 柱 的 半 长 轴 A 与 半 短 轴 B 分 别 为
24.8 mm 和 12.4 mm；海豹胡须柱结构通过分析成
年海豹胡须的尺寸而获得 ［25］ ，具有波形表面，截面为
倾斜椭圆。考虑分析上、下游类圆柱杆件间距较长
（L/D≥4）时各自形成涡脱落的工况，串列类圆柱杆
件中心距确定为 150 mm （5D）。
数值模拟采用的计算域尺寸为：L x ×L y ×L z =
（8D+21D）×16D×6.87D，如图 2 所示。其中，根据
圆柱算例的网格划分方法和网格无关性分析结果 ［26］ ，
采用六面体结构网格划分计算域。边界层内第一层
-6
网格厚度为 5×10 m，沿壁面法向量方向以 1.1 的 图 1 串列类圆柱杆件的几何模型
增长率向外增长，使得壁面网格无量纲距离 y 小于 Fig. 1 Geometric models of tandem cylinderlike bars
+
1，满足湍流模型计算精度要求，确保求解边界层黏
性底层时考虑低雷诺数效应对湍流发展的影响。各
个工况最终生成的网格数量均在 2500 万左右。计
算域的边界条件设置如下：入口处为均匀、恒定速度
入口；出口为压力出口，压力与速度梯度为零；柱体
表面为无滑移、无渗透边界条件；轴向两侧为周期性循
环边界条件，可使流场仿真时可模拟无限长柱体而无
需考虑端部效应；侧面两侧采用对称边界条件，相
当于剪切为零的无滑移表面。来流速度U 0 =30 m/s，
4
雷 诺 数 Re=6×10 。 各 工 况 数 值 仿 真 时 ，采 用 时
间 步 长 5×10 s，确 保 柯 朗‑弗 里 德 里 希 斯‑列 维
−6
（Courant‑Friedrichs‑Lewy， CFL）数在整个计算区域
内不超过 1。数值仿真运行 0.4 s后，流场达到统计意义
上的稳定，接着再运行 0.5 s 进行声源数据采集，以确 图 2 计算域设置
保声压计算结果频谱分析具有合理的频率分辨率。 Fig. 2 Computational domain setting