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

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【摘要】：射流噪聲是航空航天領域中一個重要問題,它不僅污染環(huán)境,還會影響發(fā)動機的效率及飛行器的結構安全,因此受到了科研工作者越來越多的關注。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)生機理進行研究,探討了層流及湍流射流中大尺度旋渦結構、失穩(wěn)波和遠場噪聲的關系。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)及熱效應對近場動力學和遠場噪聲特性的影響,探討了失穩(wěn)波產(chǎn)生噪聲的機制,結果表明：射流的近場由旋渦的卷起和配對主導,且其位置隨著馬赫數(shù)的降低和加熱向上游移動。遠場噪聲由亞諧頻噪聲主導,表明渦配對過程是主要聲源,提高馬赫數(shù)和加熱都會增強遠場噪聲的強度,提高遠場噪聲的主導輻射角度。對Lilley-Goldstein(L-G)方程的聲源分解可知,動量相關聲源與熱相關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,抵消機制導致了遠場噪聲極小值的出現(xiàn)。線性PSE預測的失穩(wěn)波在增長階段的擾動能量、特征函數(shù)等均與數(shù)值模擬結果吻合,但線性PSE模態(tài)嚴重低估了遠場噪聲幅值�；诰�性PSE模態(tài),結合L-G方程構建了基于失穩(wěn)波相互作用的非線性模型用于預測噪聲。非線性模型準確預測了主導聲波的起始位置、傳播方向,較合理地預測了噪聲幅值。(2)采用大渦模擬(LES)方法模擬了冷、熱圓射流。大渦模擬合理地預測了射流的近場湍流脈動、遠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驗結果吻合很好�；贚ES數(shù)據(jù),詳細考察了大尺度結構、失穩(wěn)波與遠場噪聲的關系。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)的大尺度結構,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,表明二者在流場結構上基本等價,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致�？傮w而言,當前考察的射流的壓力場中能量最占優(yōu)的大尺度相干結構可以采用線性PSE模態(tài)表示的線性波包進行表征,至少在增長階段�；诘谝浑APOD模態(tài)計算的遠場噪聲在小角度上與LES數(shù)據(jù)吻合很好,表明與大尺度結構相關的波包確實是當前射流噪聲的主導聲源�；诰�性PSE模態(tài)計算得到的噪聲則遠低于LES數(shù)據(jù),表明線性PSE雖然準確預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鍵信息。(3)采用大渦模擬方法研究了旋擰效應對熱射流近場流動特征和遠場噪聲特性的影響,結果表明：旋擰效應增強了流動的不穩(wěn)定性,加速了大尺度結構的破碎,削弱了大尺度結構相互作用的強度,降低了大尺度結構的周向相關性,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。對遠場噪聲的傅里葉分解表明遠場噪聲由m=0,1,2的低階模態(tài)主導,在小角度時,m=0模態(tài)低頻段噪聲的降低導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)的大尺度結構,發(fā)現(xiàn)旋擰射流中增長階段的大尺度結構仍然可以�；癁榫�性PSE模態(tài)表示的線性波包。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V211;O358

【參考文獻】

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