亞聲速射流噪聲的數(shù)值模擬與機(jī)理研究.pdf

1、射流噪聲是航空航天領(lǐng)域中一個(gè)重要問題，它不僅污染環(huán)境，還會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率及飛行器的結(jié)構(gòu)安全，因此受到了科研工作者越來越多的關(guān)注。本文采用數(shù)值模擬、拋物化穩(wěn)定性方程(PSE)等方法對射流噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，探討了層流及湍流射流中大尺度旋渦結(jié)構(gòu)、失穩(wěn)波和遠(yuǎn)場噪聲的關(guān)系。主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)數(shù)值研究了軸對稱射流的渦配對噪聲，考察了馬赫數(shù)及熱效應(yīng)對近場動(dòng)力學(xué)和遠(yuǎn)場噪聲特性的影響，探討了失穩(wěn)波產(chǎn)生噪聲的機(jī)制，結(jié)果表明

2、:射流的近場由旋渦的卷起和配對主導(dǎo)，且其位置隨著馬赫數(shù)的降低和加熱向上游移動(dòng)。遠(yuǎn)場噪聲由亞諧頻噪聲主導(dǎo)，表明渦配對過程是主要聲源，提高馬赫數(shù)和加熱都會(huì)增強(qiáng)遠(yuǎn)場噪聲的強(qiáng)度，提高遠(yuǎn)場噪聲的主導(dǎo)輻射角度。對Lilley-Goldstein(L-G)方程的聲源分解可知，動(dòng)量相關(guān)聲源與熱相關(guān)聲源輻射的噪聲呈現(xiàn)迥異的輻射形態(tài)，二者之間存在明顯的抵消機(jī)制，在等溫射流中抵消現(xiàn)象出現(xiàn)在小角度上，在熱射流中抵消現(xiàn)象出現(xiàn)在大角度上，抵消機(jī)制導(dǎo)致了遠(yuǎn)場噪聲極小

3、值的出現(xiàn)。線性PSE預(yù)測的失穩(wěn)波在增長階段的擾動(dòng)能量、特征函數(shù)等均與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，但線性PSE模態(tài)嚴(yán)重低估了遠(yuǎn)場噪聲幅值。基于線性PSE模態(tài)，結(jié)合L-G方程構(gòu)建了基于失穩(wěn)波相互作用的非線性模型用于預(yù)測噪聲。非線性模型準(zhǔn)確預(yù)測了主導(dǎo)聲波的起始位置、傳播方向，較合理地預(yù)測了噪聲幅值。
　　(2)采用大渦模擬(LES)方法模擬了冷、熱圓射流。大渦模擬合理地預(yù)測了射流的近場湍流脈動(dòng)、遠(yuǎn)場噪聲譜和總聲壓級等，這些流動(dòng)特征及噪聲特性均與前

4、人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。基于LES數(shù)據(jù)，詳細(xì)考察了大尺度結(jié)構(gòu)、失穩(wěn)波與遠(yuǎn)場噪聲的關(guān)系。采用頻率域內(nèi)的本征正交分解方法(POD)提取了湍射流壓力場中能量最占優(yōu)的大尺度結(jié)構(gòu)，稱之為第一階POD模態(tài)。第一階POD模態(tài)比LES流場更加規(guī)則，且呈現(xiàn)出清晰的增長、飽和和衰減的特征，類似波包。線性PSE模態(tài)與第一階POD模態(tài)的壓力擾動(dòng)具有相同的增長率、幅值、波長和相位，且沿流向和徑向的變化趨勢基本一致，表明二者在流場結(jié)構(gòu)上基本等價(jià)，在峰值的下游位置二者

5、的衰減率和幅值等出現(xiàn)偏離，這可能是由于流動(dòng)的非線性特征導(dǎo)致?？傮w而言，當(dāng)前考察的射流的壓力場中能量最占優(yōu)的大尺度相干結(jié)構(gòu)可以采用線性PSE模態(tài)表示的線性波包進(jìn)行表征，至少在增長階段?；诘谝浑APOD模態(tài)計(jì)算的遠(yuǎn)場噪聲在小角度上與LES數(shù)據(jù)吻合很好，表明與大尺度結(jié)構(gòu)相關(guān)的波包確實(shí)是當(dāng)前射流噪聲的主導(dǎo)聲源?；诰€性PSE模態(tài)計(jì)算得到的噪聲則遠(yuǎn)低于LES數(shù)據(jù)，表明線性PSE雖然準(zhǔn)確預(yù)測了壓力場中波包的近場特征，但是仍然遺漏了波包作為噪聲源的某

6、些關(guān)鍵信息。
　　(3)采用大渦模擬方法研究了旋擰效應(yīng)對熱射流近場流動(dòng)特征和遠(yuǎn)場噪聲特性的影響，結(jié)果表明:旋擰效應(yīng)增強(qiáng)了流動(dòng)的不穩(wěn)定性，加速了大尺度結(jié)構(gòu)的破碎，削弱了大尺度結(jié)構(gòu)相互作用的強(qiáng)度，降低了大尺度結(jié)構(gòu)的周向相關(guān)性，并降低了射流中心線上速度和密度脈動(dòng)的飽和幅值。近場流動(dòng)特征的改變導(dǎo)致了旋擰熱射流噪聲總聲壓級的明顯降低，特別是小角度上的噪聲，其中噪聲峰值降低約3.2dB。對遠(yuǎn)場噪聲的傅里葉分解表明遠(yuǎn)場噪聲由m=0，1，2的低階