超音速可压缩混合层的稳定性和声辐射机理研究

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本文从二维直角坐标系下的非线性扰动方程出发,以二维Blasius相似性解作为基本流场,以超音速可压缩混合层作为研究对象,对来流马赫数为M1/M2=2.5/1.5(Mc<1)的超音速混合层采用统一求解扰动方程来得到近场动力学特性和部分远场噪声的行为,对于来流马赫数M1/M2=4.0/1.6(Mc>1)的超音速混合层采用混合方法,即近场采用扰动方程,远场求解对流波动方程,来研究近场动力学特性与远场声辐射之间的内在联系,得出以下几个结果:  (一)来流马赫数为M1/M2=2.5/1.5的超音速混合层:  1.入口处加入最不稳定的增长波,扰动向下游演化过程中出现大尺度涡结构,伴随着涡结构向下游演化,远场压力辐射向自由流场,同时加入一个基本波和其二分之一亚谐波,扰动在下游演化过程中出现两涡合并的现象,合并位置处能量幅值达到最大,非线性作用最强,远场压力辐射强度达到最大,声辐射机制主要是由于大尺度的涡条结构引起,非线性作用能增强远场辐射强度。  2.在入口处加入一对三维扰动波,近场涡结构向下游演化过程中逐渐向上下两边拉升,并且在下游处出现涡结构破碎形成大量的小涡结构,远场压力在涡结构形成处开始辐射向自由流两边。  (二)来流马赫数为M1/M2=4.0/1.6的超音速混合层:  3.入口扰动出现多模态情形,存在同一扰动频率ω0对应两个增长波-αi的情况,分别对应为快模态和慢模态。计算两种模态扰动的演化,可以得到扰动向下游演化过程中相对于自由流为超音速部分,其扰动压力在近场以马赫波形式辐射向自由流场,即近场马赫波辐射,当前计算的辐角与理论值相符,入口处同时加入快慢模态扰动,则演化过程兼有二者的特性。  4.近场扰动压力可知,近场马赫波的包络线是一簇平行的直线,利用近场的包络线采用Wu积分可得到远场马赫波的包络p0,与近场情况不同,远场马赫波包络线不再是一簇平行的直线,声波有明显的衍射现象。  由以上结果可得,对于对流马赫数小于1的超音速混合层,研究发现声辐射机制主要是由于大尺度涡结构引起的,非线性作用能增强远场辐射强度。  对于对流马赫数大于1的超音速混合层,其声辐射机制以马赫波形式辐射,远场马赫波包络线不再是一簇平行线,声波有明显的衍射现象。
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