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时均流(Mean flow)掠过腔体结构时,驱动空腔内流体产生自持振荡,称为时均流驱动空腔振荡现象。不同腔体结构和流动状态条件下,时均流驱动空腔振荡的现象各不相同,其内在机理也有所区别。其中“流体谐振型”时均流驱动空腔振荡具有稳定的振荡频率和较高的能流密度,已被作为一种新型的能量利用和转换方式加以研究,其在时均流能量收集方面表现出广泛的应用前景。虽然当前已对时均流驱动空腔振荡现象进行了一定程度的研究,但理论模型仍与实际情况存在较大差距,内在机理仍待进一步研究。为进一步了解其振荡机理,开展“流体谐振型”时均流驱动空腔振荡理论探索、数值模拟与实验研究。
综述了时均流驱动空腔振荡的研究进展,归纳并总结了影响时均流驱动空腔振荡的各结构参数和流体动力学参数,以及不同参数对振荡的影响方式。研究表明,时均流驱动空腔振荡现象与诸多流动和结构参数相关,对其进行分析综述十分必要。
应用涡声理论、格林函数等多种理论对时均流驱动深腔谐振现象进行理论研究,得到了低马赫条件下的深度模式和声功的计算方程。
采用大涡模拟方法对时均流驱动十字型深腔谐振现象进行数值模拟研究。以经Favre过滤器过滤的可压缩N-S方程为控制方程,以中心差分格式为空间离散格式,以二级隐式格式为时间离散格式,在三种网格和动态Smagorinsky-Lilly模型与壁面自适应局部涡粘模型两种亚格子模型条件下进行计算,进而选取合适的计算模型。数值模拟准确预测了振荡频率以及压力振幅随时均流速的发展规律。压力振幅随着网格细化而得到抑制,而两种亚格子模型的计算结果十分相近。探讨了谐振管开口处大尺度涡结构运动与谐振管内声场分布的相互关系,初步揭示了时均流驱动深腔谐振的机理。声场影响涡结构的脱落以及其运动轨迹,涡结构在运动过程中向谐振腔内输出能量,完成两者的耦合作用,分析表明谐振现象只发生在特定的斯特劳哈尔数区域。在此基础上采用三维模型,对时均流驱动十字型深腔谐振进行迸一步数值模拟,预测了低马赫数条件下谐振现象的发展过程,进一步揭示其发展规律。
对时均流驱动十字型深腔谐振现象进行了初步实验研究,实验得到了不同流速下深腔内的驻波声场特性,最重要的是验证了数值计算的准确性。