本文關(guān)鍵詞：亞聲速射流噪聲的數(shù)值模擬與機(jī)理研究　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：射流噪聲是航空航天領(lǐng)域中一個重要問題,它不僅污染環(huán)境,還會影響發(fā)動機(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：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。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)場噪聲極小值的出現(xiàn)。線性PSE預(yù)測的失穩(wěn)波在增長階段的擾動能量、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、遠(yuǎn)場噪聲譜和總聲壓級等,這些流動特征及噪聲特性均與前人的實(shí)驗結(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,在峰值的下游位置二者的衰減率和幅值等出現(xiàn)偏離,這可能是由于流動的非線性特征導(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的飽和幅值。近場流動特征的改變導(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的低階模態(tài)主導(dǎo),在小角度時,m=0模態(tài)低頻段噪聲的降低導(dǎo)致了總聲壓級的降低,在大角度時,總聲壓級的降低則歸功于m=1,2模態(tài)噪聲幅值的降低。最后,采用POD方法提取了旋擰熱射流壓力場中能量最占優(yōu)的大尺度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)旋擰射流中增長階段的大尺度結(jié)構(gòu)仍然可以模化為線性PSE模態(tài)表示的線性波包。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V211;O358

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 WAN ZhenHua;ZHOU Lin;SUN DeJun;;A study on large coherent structures and noise emission in a turbulent round jet[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2014年08期

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本文編號：1309364