超声速喷流噪声高精度数值模拟技术研究
作者单位：北京航空航天大学航空科学与工程学院
会议名称：《第十一届全国流体力学学术会议》
会议日期：2020年
学科分类：12[管理学] 083002[工学-环境工程] 1204[管理学-公共管理] 120402[管理学-社会医学与卫生事业管理(可授管理学、医学学位)] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0837[工学-安全科学与工程]
摘 要：超声速喷流噪声是气动声学领域的重要研究方向之一,针对超声速喷流噪声开展研究工作一方面有利于推动气动噪声的机理研究,另一方面对于战斗机降噪以及未来超声速民航客机的设计与制造具有重要工程意义。高精度数值模拟是针对超声速喷流噪声开展研究的主要方法之一,然而数值模拟过程中的各个因素对于流场以及远场噪声结果的影响仍尚不明确。本文将采用大涡模拟(LES)与FW-H声类比理论相结合的混合方法,针对超声速喷流噪声开展数值模拟,研究数值模拟方法中的亚格子模型、喷嘴出口条件等因素对喷流流场以及远场噪声的影响。流场模拟是开展远场噪声模拟的基础,图1为流场瞬态压强分布,可见从喷流剪切层辐射出声波。图2对比了不同亚格子模型下,喷流轴线上流向平均速度U随流向的变化曲线,由图可见常系数的Smagorinsky模型(CSM)以及动态Smagorinsky模型(DSM)的平均速度分布相近,且与Carlos等人的模拟结果相吻合,但是均偏离实验和Mendez的模拟结果。通过增大喷嘴出口边界层厚度调整出口条件,喷流核心区长度显著增长,喷流轴线的流向平均速度分布接近实验以及Mendez数值模拟结果(图3)。因此,针对采用大涡模拟方法对超声速喷流开展数值模拟,喷嘴出口条件对喷流流场模拟结果的影响大于亚格子模型的影响。图4给出了喷嘴出口不同边界层厚度下远场总声压级随观测角的分布。喷嘴出口边界层厚度较小时,喷流上游方向(θ135°)总声压级明显高于实验结果(ΔOASPL≈6dB)。通过增大喷嘴出口边界层厚度,上游方向远场总声压级明显减小,其分布与实验吻合良好(ΔOASPL3dB)。