[發明專利]一種過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法

有效

• 申請號: 202011059806.X
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112231951B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 宋曉東;吳昊
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F113/14;G06F119/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 馬嚴龍

1.一種過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）建立三維供水管線隧道內部結構有限元模型，根據供水管線內部結構的尺寸及細部構造，對截面厚度與所需單元尺寸之比小于1/7的部位采用殼單元劃分，截面厚度與所需單元尺寸之比大于1/7的部位采用3D實體單元劃分；建立隧道結構外部的土體有限元模型，設置土體截斷范圍和土層特性，并采用完全匹配層模擬波的吸收效應；為整體結構有限元模型各部位賦予相應的材料屬性；

（2）在供水管道內部建立三維流體有限元模型并劃分流體單元，得到流固耦合模型并為流體賦予穩定的流速，在管道與流體的對應位置設置流固耦合邊界，在流體出口端設置自由出流或三維一致流補償后續流場；根據雷諾數為流體單元賦予渦流屬性，結構模塊采用隱式動力學算法，流體模塊采用瞬態算法，迭代模式為復合式迭代；計算在低流速條件下流體引起的隧道結構、土體結構時域范圍內的振動響應；

（3）建立基于水土耦合的聲學有限元模型，以水土耦合面為界限向上擴展生成聲學網格，將步驟（2）中計算獲得的流體致隧道結構、土體結構振動響應導入聲學模型，通過傅里葉變換將時域振動響應轉換為頻域振動響應并投影到水土耦合面，作為聲學有限元模型的振源邊界條件；

（4）在聲學有限元模型外表面設置自動匹配層來模擬聲學吸收層，設置聲學有限元網格和自動匹配層的聲速、密度屬性，設置水下空間聲場點，設置計算頻率范圍；基于頻域范圍內的聲學有限元及自動匹配層方法計算流體引起的過江供水管線隧道水下振動噪聲；

（5）導出各個場點等間距的噪聲頻譜值，并轉換到三分之一倍頻程，獲得每個場點的總聲壓級，根據噪聲預測值和場點位置通過編程手段繪制聲壓等高線圖和頻散曲線。

2.如權利要求1所述的過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法，其特征是：所述步驟（1）中，整體結構包括管道、鋼支架、支墩、鋼支墩、隧道、土體，管道、鋼支墩和鋼支架采用殼單元來模擬，隧道結構、土體結構和支墩采用3D實體單元模擬；管道與鋼支架之間采用法向接觸約束模擬，鋼支架與支墩接觸位置采用共結點模擬，土體截斷邊界離管道的距離需大于土層剪切波最大波長的0.5倍。

3.如權利要求1所述的過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法，其特征是：所述步驟（1）中，管道以及水土耦合位置附近的單元尺寸小于土層剪切波最小波長的六分之一，在土體截斷部位設置完全匹配層。

4.如權利要求1所述的過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法，其特征是：所述步驟（2）中，流固耦合邊界是流體與固體發生作用的直接作用面，流固耦合邊界在流體有限元模型與整體結構有限元模型中要一致；流體單元采用渦流模型來模擬，分別在管道和流體的對應位置設置流固耦合邊界，若存在多處流固耦合邊界，應保證各邊界互不影響。

5.如權利要求1所述的過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法，其特征是：所述步驟（2）中,在流體有限元模型兩端分別設置流速荷載與流體邊界條件，進行流固耦合分析時采用隱式動力學與瞬態動力學，設置求解步長和計算步數；流體單元采用有限體積算法，并修正收斂殘差，流體單元壓力速度耦合采用半隱式算法，流固耦合模型計算時選擇迭代耦合并對位移、應力收斂因子予以修正。

6.如權利要求1所述的過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法，其特征是：所述步驟（3）中，對導入的時域范圍內的振動響應進行快速傅里葉變換獲得頻域振動響應，再將頻域的振動響應映射到聲學有限元模型的水土耦合面，計算頻率范圍由編程計算得出。

7.如權利要求1所述的過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法，其特征是：所述步驟（4）中，聲學有限元模型包裹土體有限元模型，在聲學有限元模型外表面建立自動匹配層，自動匹配層與水土耦合面之間至少包含五層聲學網格，聲學有限元模型計算頻率范圍即為頻域的振動響應的頻率范圍。

8.如權利要求1所述的過江供水管線隧道水下振動噪聲預測方法，其特征是：所述步驟（5）中，聲壓級計算采用不計權重的三分之一倍頻程分析，聲壓等高線圖基于預測值并按照空間位置插值繪制。