亚声速射流螺旋模态扰动的噪声机理分析与计算

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射流噪声是气动声学的一个经典难题,例如喷气式飞机起飞和着陆时,往往会伴随着巨大的噪声,目前服役的大部分商用飞机都在亚声速状态下工作,其中相关的不稳定模态也是亚声速的,所以,对亚声速射流噪声的研究及预测对学术界和工业界有着重要的意义。本文以亚声速射流为典型流动,在入口处加入一对n=±1的螺旋模态不稳定波(三维扰动),对其产生的远场声辐射进行数值研究。发展了一种新的混合算法,将亚声速射流分为流动近场和声学远场两个部分,流动近场用非线性抛物化稳定性方程(NPSE)计算,声辐射远场用Wu的亚声速积分理论求解。新的混合算法得到的流动近场与DNS的结果一致,远场声辐射的结果也与Sandham等人的直接数值模拟结果相符,验证了新混合算法的可行性和可靠性。该算法不仅在计算成本上有优势,且清楚地解释了噪声声源的产生,声辐射的方向和特性。本文采用新的混合算法,对低雷诺数高亚声速射流、高雷诺数低亚声速射流中一对螺旋模态扰动的噪声进行了计算和预测,主要结论如下:(1)在亚声速射流中,远场声辐射来自于低频声,它是由一对频率相近但不相同的螺旋模态扰动波的非线性作用产生,其声源为一宽带频谱,并且声场特征为一个单叶瓣状的形状,较集中且具有明显的指向性。(2)以低雷诺数高亚声速(Ma=0.9,Re=3600)射流为研究对象,扰动波之间的非线性作用发生在核心区内,差频扰动具有很强的增长能力,也是声源最重要的部分。在ΔSt=0.05~0.2范围内,差频扰动在核心区末端超过了初始波及其他低频波,随着差频的增加,远场声压有明显的加大,声辐射角度在60°左右,并有略微减小,范围在3°~4°之间。随着差频增加到ΔSt=0.3,差频在核心区内增长能力减弱,远场声压减小。(3)以高雷诺数低亚声速(Ma=0.6,Re=3.7×105)的经典实验射流为研究对象,在核心区内增长能力最强的不是差频扰动,而是下边频扰动,边频效应明显。随着边频频率的加大,远场声压强度呈略微减小的趋势,声辐射仍然有很明显的指向性(θ=60°),辐射方向基本不变。
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