[發(fā)明專利]一種過江供水管線隧道水下振動噪聲預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011059806.X
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112231951B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋曉東;吳昊
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F113/14;G06F119/10
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 馬嚴(yán)龍

本發(fā)明公開了一種過江供水管線隧道水下振動噪聲預(yù)測方法，具體如下：首先，建立三維供水管線隧道結(jié)構(gòu)、土體結(jié)構(gòu)的有限元模型；然后，建立流體有限元模型，并設(shè)置土體結(jié)構(gòu)的邊界；其次，基于流體有限元模型與結(jié)構(gòu)有限元模型組成的流固耦合振動模型并考慮初始流體流速的影響進(jìn)行流固耦合振動分析，得到結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)；接下來，建立流固耦合聲學(xué)有限元模型，將流體致土體振動響應(yīng)結(jié)果導(dǎo)入聲學(xué)模型作為邊界條件；最后通過聲學(xué)有限元、自動匹配層方法求解水下管線隧道振動引起的噪聲。本發(fā)明方法能夠用于過江供水管線隧道水下振動噪聲的預(yù)測，獲得噪聲空間衰減規(guī)律，為降低水下噪聲的影響提供理論依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種過江供水管線隧道水下振動噪聲預(yù)測技術(shù)，屬于交通技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增加，城市供水的安全愈發(fā)重要，為了提高供水管道的安全性和使用壽命，過江供水管線隧道結(jié)構(gòu)開始大量興建。供水管線內(nèi)管道中流動的水流會引起管道結(jié)構(gòu)的振動，進(jìn)而經(jīng)過支架、支墩的傳遞引起隧道結(jié)構(gòu)的傳遞，隧道結(jié)構(gòu)的振動會引起上覆土層的振動，進(jìn)而產(chǎn)生水下輻射噪聲。長期的振動噪聲會對水下生物的生態(tài)產(chǎn)生影響，干擾魚類和水生哺乳動物的聽覺和交流，魚群的聲音通訊信號也會被阻斷，甚至?xí)︳~類聽覺造成永久性的傷害。隨著水下工程的數(shù)量和規(guī)模的急劇增加，水下噪聲對水下生物種的棲息環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，連續(xù)噪聲的累積效應(yīng)會使它們對天敵和船只的警覺程度降低，在同一水域的長期噪聲會使動物被迫縮小生存范圍，放棄在施工區(qū)域內(nèi)的活動。目前缺乏有效的方法來對過江供水管線隧道引起的水下噪聲進(jìn)行評估，往往采用簡化的線聲源、點聲源模型，也未能準(zhǔn)確考慮流固耦合的影響；此外，對于待建項目，也無法通過水下測試的方法直接獲得振動噪聲值，因此需要發(fā)展一種過江供水管線隧道水下振動噪聲預(yù)測方法，準(zhǔn)確獲得噪聲的空間分布規(guī)律，為水下生物多樣性的保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：提出一種預(yù)測過江供水管線隧道水下振動噪聲的數(shù)值模型，來準(zhǔn)確預(yù)測由于水流通過管道時引起的隧道結(jié)構(gòu)、土體結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲，獲得水下噪聲的等高線云圖和頻散特性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種過江供水管線隧道水下振動噪聲預(yù)測方法，包括以下步驟：

（1）建立三維供水管線隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)有限元模型，根據(jù)供水管線內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸及細(xì)部構(gòu)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(jié)構(gòu)外部的土體有限元模型，設(shè)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(yīng)；為整體結(jié)構(gòu)有限元模型各部位賦予相應(yīng)的材料屬性；

（2）在供水管道內(nèi)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(wěn)定的流速，在管道與流體的對應(yīng)位置設(shè)置流固耦合邊界，在流體出口端設(shè)置自由出流或三維一致流補償后續(xù)流場；根據(jù)雷諾數(shù)為流體單元賦予渦流屬性，結(jié)構(gòu)模塊采用隱式動力學(xué)算法，流體模塊采用瞬態(tài)算法，迭代模式為復(fù)合式迭代；計算在低流速條件下流體引起的隧道結(jié)構(gòu)、土體結(jié)構(gòu)時域范圍內(nèi)的振動響應(yīng)；

（3）建立基于水土耦合的聲學(xué)有限元模型，以水土耦合面為界限向上擴展生成聲學(xué)網(wǎng)格，將步驟（2）中計算獲得的流體致隧道結(jié)構(gòu)、土體結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)導(dǎo)入聲學(xué)模型，通過傅里葉變換將時域振動響應(yīng)轉(zhuǎn)換為頻域振動響應(yīng)并投影到水土耦合面，作為聲學(xué)有限元模型的振源邊界條件；

（4）在聲學(xué)有限元模型外表面設(shè)置自動匹配層來模擬聲學(xué)吸收層，設(shè)置聲學(xué)有限元網(wǎng)格和自動匹配層的聲速、密度屬性，設(shè)置水下空間聲場點，設(shè)置計算頻率范圍；基于頻域范圍內(nèi)的聲學(xué)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(dǎo)出各個場點等間距的噪聲頻譜值，并轉(zhuǎn)換到三分之一倍頻程，獲得每個場點的總聲壓級，根據(jù)噪聲預(yù)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。