如今仿生学原理[1]已经运用到工程实际中，越来越多的工程研究更倾向于仿生学方面研究．文献[2]将蚯蚓体表特征引入管道，设计非光滑壁面管路并进行有限元分析，得出了性能最高的非光滑结构；文献[3]对仿生表面织构的血管进行动力学特性仿真分析，对优化血管支架有着指导意义；文献[4]将微沟槽应用于海流发电叶片进行降噪研究，得到微沟槽改善翼型流噪声的机理；文献[5]将覆盖V型对称沟槽表面的槽道进行直接数值模拟，研究了微结构对流场的影响；文献[6]通过对研究对象施加锯齿结构，深入研究仿生技术的降噪机理和流动控制，提出了基于仿生的水下航行体水动力噪声控制方法；文献[7]研究了球形沟槽对气动噪声的影响；文献[8]研究了不同织构表面对摩擦振动噪声的影响与机理，发现仿生织构表面可有效降低高频尖叫噪声；文献[9]对几种不同形状的沟槽表面进行了湍流边界层数值模拟，深入研究其减阻特性，表明减阻效果与沟槽的无量纲高度有关．根据以上可知：由于鲨鱼表皮可以抑制附近流场猝发，因此广泛应用于机翼和海流发电叶等的仿生研究，但是对管路仿生研究仍然十分缺乏．为了探究仿生设计对管路影响效果，本研究将借鉴鲨鱼表皮特征并设计三角微沟槽覆盖于管路内壁，研究其对管路流场和流噪声的影响．1 计算模型构建本研究以弯管为基准模型，弯管进口和出口截面为直径D=100 mm的圆形，进流段L1=1 m，去流段L2=1 m，弯头处曲率R=150 mm，模型原点位于出口截面圆心．弯管基准模型和入口截面示意如图1所示．在弯管为基准模型情况下，在弯管内表面设计并覆盖仿生沟槽，沟槽方向与流向一致，沟槽形式为两边长1 mm，底边长0.87 mm的等腰三角形，其无量纲间距s+=72，无量纲高度h+=74．沟槽布置长度为整个管路全程，但覆盖面积不同，在圆弧AB延伸至管路全程所形成的表面上覆盖流向仿生沟槽，此管命名为仿生管1；在圆弧ABC延伸至管路全程所形成的表面上覆盖流向仿生沟槽，此管命名为仿生管2；将管路全覆盖仿生沟槽，此管命名为仿生管3．10.13245/j.hust.211121.F001图1弯管基准模型和入口截面示意图2 网格无关性验证因为流场计算耗时长、计算资源占用大，所以为了减少计算时间并且保证数值计算的准确性，须要对模型进行流场网格无关性验证．通过调整仿生微沟槽局部网格尺寸和整体网格尺寸，将仿生管1划分不同数目的网格进行流场计算，并监测管路阻力系数Cd．由图2可知：当管路保持在2.6×106网格左右时，仿生管1的阻力系数Cd基本保持不变，说明此时的网格尺寸符合精度且可用，图中N为网格数．后续的仿生管可采用同样的沟槽局部网格尺寸和整体的网格尺寸进行划分．10.13245/j.hust.211121.F002图2网格无关性分析3 噪声计算方法的有效性验证本研究中的管路流噪声计算采用计算流体力学联合Lighthill声类比理论[10]的方法．为了验证计算方法的准确性和有效性，设计了T型三通管的声场数值计算，并基于自主搭建的循环水管路系统噪声实验平台，开展管路流噪声实验研究．3.1　测试系统本实验的测试系统完备，由B&K 8104水听器接收管内声压信号，通过电荷放大器和数据采集器传输，最后在计算机内处理声信号．为了减小管内脉动压力对水听器测量结果的影响，本实验的水听器采用齐平式插入法，其固定基座内表面敷设吸声材料，测点位置至少布置在远离管路附件肘部10倍直径的位置．3.2　实验测量实验中的管路附件使用DN80三通管，在调整阀门后，让管路入口流体保持3 m/s流速，待管路系统流场稳定后，进行流噪声测试．运用软件进行数值仿真，实验与数值仿真结果对比如图3所示，图中：Lp为声压级；f为频率．从图3可以看出：在10~200 Hz频段，实验与仿真符合较好；在200 Hz~1 kHz频段，仿真值略大于实验值，这是由仿真中在声学固有频率处出现峰值所致．实验值与仿真值较为符合，从而说明混合数值计算方法可靠且有效．10.13245/j.hust.211121.F003图3仿真和实验流噪声对比4 流场计算4.1　参数设置本研究对弯管及其三类仿生管进行流场分析，稳态计算模型选择标准k-ε，其中，k为湍流脉动能，ε为湍流脉动能耗散率；选用速度-压力耦合求解，出口处为标准大气压，管路壁面设为无滑移壁面条件，并且考虑重力影响．当稳态计算时，通过监测残差值在迭代500步内各项指标达到收敛，然后将稳态结果作为瞬态计算的初始值，再进行以大涡模拟(LES)为湍流模型的瞬态计算．流场计算中弯管入口处雷诺数为Re=2×105，流体介质为水，密度ρ=1 t/m3，重力加速度g=9.8 m/s2．流场计算的时间步长与库朗数Cr[11]有着密切关联，库朗数可用来调节计算稳定性和收敛性，大涡模拟计算时一般取为0.5~1.0，计算公式为Cr=vΔt/Δx，式中：v为流速；Δt为时间步长；Δx为网格尺寸．根据计算得到本研究时间步长应小于2.5 ms，实际采用时间步长为0.1 ms，符合计算精度要求．4.2　网格划分因为计算管路在覆盖仿生沟槽后模型复杂，所以采用非结构化网格进行划分．对流场域进行网格划分，第一层边界层网格至关重要与无量纲距离y+有关，通常选择y+=1，第一层边界层尺寸设为0.01 mm，边界层的层间增长率在1.2~1.5之间，设置7层边界层．4.3　流场分析对流场的计算结果进行可视化分析．将垂直于流向、位于去流段且距离出口1 m处的截面作为分析面．将原管和仿生管3在分析面处的速度云图进行对比，如图4所示，可以看出：带有仿生微沟槽的管路壁面浅色低速区域增加，说明其近壁面速度明显小于光滑近壁面速度；沟槽近壁面的低速流体厚度要大于光滑壁面处，说明黏性底层厚度增加，根据边界层理论，形成这一现象的原因是因为对数律层上移，所以减小了近壁面区域的平均速度梯度，有利于维持边界层的稳定，抑制湍流的猝发．10.13245/j.hust.211121.F004图4分析面速度云图根据Q准则[12]计算管路产生的涡，得到涡核区域云图，原管和三类仿生管涡核区域云图如图5所示，可以看出：原管和各仿生管涡速较快、面积较大的深色区域主要集中于弯头内侧处，这主要是因为弯头内侧与外侧的半径不同，流体在弯头处将产生不同的离心力，所以导致弯管两侧产生明显的压差，引发漩涡；另外，仿生管的管壁也存在着细碎的低速浅色涡团，这表明仿生微沟槽处产生了细小的漩涡，沟槽内漩涡对管内流体而言类似于滚轮作用，有利于维持边界层稳定．同时，原管弯头处产生的涡核速度最大，随着覆盖仿生微沟槽面积的扩大，涡核高速区明显减小，仿生微沟槽对弯头处涡核有着明显的抑制效果．弯头处形成的涡是管路系统中主要发声原因，对此处的涡团抑制，可以有效地控制管路系统的流噪声．Q准则的计算公式为Q=(ΩijΩij-SijSij)/2，式中：Ωij为旋转张量；Sij为应变率张量．10.13245/j.hust.211121.F005图5各管路涡核区域云图5 噪声计算及分析根据Lighthill声类比理论，对于管内流速为2 m/s的低速流动，管内发声源主要是壁面偶极子声源．由于过大的声学网格会影响计算结果精度，因此一般声学计算的最大网格尺寸应小于计算频率对应波长的1/6，即lmax＜c/(6f )，其中：c为介质中声速；f为计算频率．本研究的声学网格最大尺寸约为0.01 m，满足计算要求．5.1　壁面偶极子分布为了直观地了解到管路中发声源的分布情况，提取流场数据，得到原管和三种仿生管在50 Hz频率下的壁面偶极子分布图如图6所示，可以看出：相较于原管，覆盖仿生微沟槽后的仿生管在50 Hz频率下红色区域明显变小，说明壁面偶极子分布明显减少，这是由于覆盖仿生微沟槽后明显改善了近壁面流场情况，抑制了湍流的猝发，因此减少了壁面偶极子的分布．但是50 Hz频率下的各仿生管对壁面偶极子抑制效果各异，仿生管3的效果最为明显，仿生管1效果次之，仿生管2效果最差．10.13245/j.hust.211121.F006图650 Hz频率下壁面偶极子分布5.2　声模态计算由于管路声模态是研究管路系统特征的重要指标，因此对原管和三类仿生管进行基于有限元(FEM)的声学模态计算，计算得到前三阶声学模态如表1所示，可以看出仿生沟槽的覆盖对管路的声学模态影响不大．10.13245/j.hust.211121.T001表1前三阶声学模态频率工况第一阶第二阶第三阶原管336.36670.981 008.90仿生管1336.33670.911 008.81仿生管2336.30670.861 008.72仿生管3335.73672.221 007.22Hz5.3　噪声分析由于管路流噪声主要是低频噪声，因此本研究将计算10 Hz~1 kHz频段内管路流体所产生的流噪声，计算步长为3 Hz，并且在出口截面外50 mm处设置监测点位置．基于边界元方法[13]计算原管和三种仿生管的流噪声声压级、声功率级、1/3倍频声压级和1/3倍频声功率级，结果如图7所示．四种管路的总声压级与总声功率级对比如表2所示．从图7中可以看出：管路噪声能量主要集中于低频段100 Hz以内，因此对管路流噪声的控制应多考虑低频段区域．仿生管3对流噪声的控制效果最佳，总声压级可减少10.34 dB，总声功率级可减少10.22 dB，并且在10 Hz~1 kHz全频段均效果明显，其原因是在仿生沟槽全覆盖的情况下，管路四周边界层厚度增加，壁面向管路中心的速度梯度明显变小，减小了湍流的猝发及涡核的产生；仿生管1和仿生管2对管路流噪声抑制效果不及仿生管3，并且在10~100 Hz的低频段内，仿生管1表现出降噪效果优于仿生管2的现象，这是因为仿生管2在沟槽近壁面形成了大范围高压低速区，会向光滑近壁面的低压高速区扩散，从而引发新的涡旋，削弱一定的低频降噪效果，这在图6(b)和(c)中也可以看出，在此频段内仿生管1对壁面偶极子的抑制要优于仿生管2．总体来看，这两种仿生管对流噪声抑制效果接近，总声压级可降低5~6 dB．声压级频谱图和声功率级频谱图在频率360，670 Hz和1 kHz附近出现峰值，这正好与管路声模态的前三阶频率接近，说明峰值频率与管路声模态有关，并且覆盖仿生沟槽后对声学模态并无明显影响．10.13245/j.hust.211121.F007图7计算结果曲线对比10.13245/j.hust.211121.T002表2总声压级和总声功率级工况总声压级总声功率级原管83.9229.18仿生管178.0028.61仿生管277.9129.79仿生管373.5818.96dB6 结论本研究对管路系统进行仿生设计，并通过LES湍流模型对原管和仿生管的流场进行数值模拟，运用声学边界元法对噪声进行数值计算，经过对比最后得到以下主要结论．a．当流体流过仿生管路时，会在仿生沟槽区域形成细小的低速涡团，明显增加了沟槽近壁面处的边界层厚度并减小速度变化梯度，从而保证边界层的稳定，并且基于Q准则，可以看出仿生沟槽的覆盖能有效抑制弯头区域处的涡核产生．b．仿生管路相较于原管路可以大幅减少壁面偶极子分布；管路声压曲线特征与其声学模态有关，但仿生微沟槽的存在对声学模态影响不大．c．在雷诺数Re=2×105的工况下，由于仿生管3四周近壁面低速流体的存在，因此边界层最为稳定，降噪效果最佳，可达到10.34 dB；而仿生管2虽然沟槽覆盖面积比仿生管1大，但是二者总体降噪效果接近，达到5~6 dB，主要原因是仿生管2的沟槽近壁面低速高压区会向光滑壁面高压低压区扩散形成新的涡旋，从而影响整体降噪水平．