低马赫数流动下收缩管道内流动发声的建模

在低马赫数下对收缩管道中的流动与声学进行建模，对于研究许多生理现象（如发声、动脉杂音的产生以及涉及气道阻塞的肺部状况）十分重要。本研究的目的是验证低马赫数收缩管中的计算流体动力学（CFD）与计算气动声学（CAA）模拟。采用不同的湍流模型来模拟流场。模型包括雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）、分离涡模拟（DES）和大涡模拟（LES）。通过将研究结果与激光多普勒测速（LDA）速度测量值进行比较来验证这些模型。比较表明，实验数据与 LES 模型结果吻合最好。尽管 RANS 雷诺应力输运（RST）模型与平均速度测量值吻合良好，但无法捕捉速度脉动。RANS 剪切应力输运（SST）k-ω 模型与 DES 模型无法准确预测高脉动流动区域的位置。CAA 模拟与 LES 并行执行，采用基于声学扰动方程（APE）的混合 CAA 方法。CAA 模拟结果与测量的壁面声压谱吻合良好。APE 声源位于收缩下游的射流核心破碎区，该区域也具有高流动脉动特征。采用本征正交分解（POD）研究对应于测得声压谱峰值的不同频率下的相干流动结构。研究结果将有助于增进我们对收缩管中发声机制（包括生物医学应用）的理解。