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马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

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航空学报 2016年第11期37卷 3273-3283页

作者：冯峰郭力王强中国航天空气动力技术研究院北京100074

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟(LES)方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流... 详细信息

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟(LES)方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。

关键词：超声速欠膨胀喷流马赫波辐射宽频激波噪声激波-湍流相互作用大涡模拟

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超声速混合层中边频扰动的气动声场

航空动力学报 2019年第5期34卷 1061-1068页

作者：李云航方一红赵磊天津大学机械工程学院高速空气动力学研究室天津300072 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所四川绵阳621000

为研究超声速流动下混合层声辐射机理,提高对超声速混合层气动噪声的认识,利用抛物化稳定性方程(PSE)考察一对频率接近失稳扰动的非线性演化,分析近场差频扰动的演化特征,并结合Wu积分理论计算远场声辐射特性。结果表明,超声速混合层中... 详细信息

为研究超声速流动下混合层声辐射机理,提高对超声速混合层气动噪声的认识,利用抛物化稳定性方程(PSE)考察一对频率接近失稳扰动的非线性演化,分析近场差频扰动的演化特征,并结合Wu积分理论计算远场声辐射特性。结果表明,超声速混合层中频谱拓宽与差频扰动有关,差频扰动的产生,拓宽了远场马赫波辐射范围,增大了远场马赫波辐射强度。对于快模态扰动,差频扰动频率越小,其增长能力越强,远场马赫波辐射区域越宽;对于慢模态扰动,差频扰动频率大小对其增长能力影响不明显,远场马赫波辐射范围和强度变化不大。

关键词：抛物化稳定性方程超声速混合层差频扰动快模态慢模态马赫波辐射

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超声速混合层气动声场的数值模拟

空气动力学学报 2019年第5期37卷 770-776页

作者：马利宇方一红天津大学机械工程学院高速空气动力学研究室

超声速混合层的噪声是气动声学研究的经典问题,制约着航空发动机性能的提升。本文用数值方法对超声速混合层声辐射特性进行研究,具体方法:用抛物化稳定性方程(PSE)计算混合层近场大尺度扰动演化,结合一种基于渐进展开和稳定性分析的积... 详细信息

超声速混合层的噪声是气动声学研究的经典问题,制约着航空发动机性能的提升。本文用数值方法对超声速混合层声辐射特性进行研究,具体方法:用抛物化稳定性方程(PSE)计算混合层近场大尺度扰动演化,结合一种基于渐进展开和稳定性分析的积分预测远场声压,得到快慢两种模态马赫波辐射的强度和方向。分析了上下侧来流温度对气动声场的影响,结果表明,上下侧温度比小于1时,慢模态占优;而上下侧温度比大于1时,快模态占优。

关键词：抛物化稳定性方程超声速混合层快慢模态温度比马赫波辐射

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非线性扰动方程研究平面混合层发声机制

空气动力学学报 2016年第5期34卷 659-665页

作者：张程远方一红天津大学机械工程学院力学系天津300072

在流动过程中由脉动引起的噪声问题在自然界和工业界中广泛存在,研究流动过程中不稳定波的发声机制对于理解、预测并最终控制气动噪声有着重要意义。本文以二维Blasius相似性解作为基本流场,以超声速混合层作为研究对象,采用非线性扰动... 详细信息

在流动过程中由脉动引起的噪声问题在自然界和工业界中广泛存在,研究流动过程中不稳定波的发声机制对于理解、预测并最终控制气动噪声有着重要意义。本文以二维Blasius相似性解作为基本流场,以超声速混合层作为研究对象,采用非线性扰动方程(NLDE)研究超声速混合层不稳定波的近场动力学特性与远场声辐射之间的内在联系。针对不同类型的对流马赫数,分别研究对流马赫数Mc=0.5(马赫数Mc波与亚谐波之间的非线性作用能增强辐射强度;当对流马赫数Mc≥1时,根据扰动相速度是相对于上层还是下层自由流速度为超声速,可以进一步分为快慢两种模态,分别对快慢两种模态以及其相互作用模态进行了数值模拟研究,计算得到流场中的发声机制是以马赫波形式辐射向远场,即马赫波辐射,其辐角的计算结果与理论值相符。

关键词：非线性扰动方程超声速混合层对流马赫数涡条发声快慢模态马赫波辐射

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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超音速可压缩混合层的稳定性和声辐射机理研究

作者：张程远天津大学

学位级别：硕士

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(Me1)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... 详细信息

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(Me马赫数M1/M2=4.0/1.6(Me>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ωo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po,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。

关键词：混合层扰动方程近场动力学远声场涡条马赫波辐射

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超声速轴对称射流气动声学的数值模拟

超声速轴对称射流气动声学的数值模拟

作者：郭娜天津大学

学位级别：硕士

由于射流气动噪声在工业以及学术上的科研价值,针对射流气动声学的数值模拟一直很受重视。超声速不稳定波是导致射流失稳和转捩的主要不稳定模态,这种模态以马赫波的形式辐射到远场,从而产生强烈的声场。本文以超声速轴对称射流作为研... 详细信息

由于射流气动噪声在工业以及学术上的科研价值,针对射流气动声学的数值模拟一直很受重视。超声速不稳定波是导致射流失稳和转捩的主要不稳定模态,这种模态以马赫波的形式辐射到远场,从而产生强烈的声场。本文以超声速轴对称射流作为研究对象,对其气动声场进行数值模拟。将超声速轴对称射流气动声场的计算分为近场和声辐射远场两部分。基本流采用实验拟合函数。入口加入的扰动波由线性稳定性理论获得。近场采用非线性扰动方程计算,得到近场特性以及声辐射远场所需要的压力扰动幅值曲线。声辐射远场计算采用Wu积分理论。对于远场Wu积分正确性的检验,首先选择实验工况研究,将计算结果与实验结果对比,两者吻合较好。然后将远场Wu积分理论的近场部分结果、近场Wu积分理论计算结果以及非线性扰动方程所得结果三者进行对比,三者吻合很好。对马赫波辐射进行了机理性研究,包括马赫波辐射的方向,辐射源位置。最后用上述方法研究了斯特劳哈尔数对马赫波辐射的影响。通过本文的研究得到如下结论:1.在超声速轴对称射流中,Wu积分理论的计算结果与实验结果、非线性扰动方程所得结果均吻合,可以用于声辐射远场的计算。2.当入口加入单个扰动波时,马赫波辐射具有很强的方向性,马赫波辐射能量沿固定方向辐射出去,扰动波相位沿另一固定方向传播,这两个方向相互正交。3.马赫波辐射的辐射源可以确定,辐射源位于扰动压力幅值最大处。4.马赫波辐射与斯特劳哈尔数有关,随着斯特劳哈尔数的增大,马赫波辐射源向射流出口靠近,马赫波辐射的区域更集中,辐射的能量更大。

关键词：轴对称射流超声速气动声场非线性扰动方程渐近匹配马赫波辐射

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超声速射流波包的演化及声辐射研究

超声速射流波包的演化及声辐射研究

作者：孟澍天津大学

学位级别：硕士

射流噪声是本世纪气动声学领域研究的热点。开展射流噪声问题的研究,对于改善环境质量,提升飞行器的性能等具有重要的指导意义。计算气动声学发展方兴未艾,计算气动声学不仅仅是一个计算方法问题,还是一个物理问题,需要深入了解噪声产... 详细信息

射流噪声是本世纪气动声学领域研究的热点。开展射流噪声问题的研究,对于改善环境质量,提升飞行器的性能等具有重要的指导意义。计算气动声学发展方兴未艾,计算气动声学不仅仅是一个计算方法问题,还是一个物理问题,需要深入了解噪声产生和传播的物理机制。本文以超声速（Ma=2.1）射流为研究对象,发展完善了一种新的气动声学混合算法,相比于传统的气动声学混合算法,其优点在于不仅可以节省计算时间,而且可以更清晰地解释射流噪声的发声机制。流动近场用非线性扰动方程（NLDE）/抛物化稳定性方程（NPSE）求解,声学远场用Wu积分理论计算,计算分析了二维轴对称模态波包、三维螺旋模态波包在流场中的演化及声辐射。计算得到的声辐射方向角、SPL值与实验结果一致,分析预测的声源位置也与实验观测相吻合。说明混合算法准确有效。主要结论如下:（1）通过模拟自然射流与激励射流中的轴对称模态波包,发现其对声学远场的贡献主要来自波包的线性增长部分,非线性作用产生的低频波增长能力较强,使得声辐射能量逐渐向低频分量转移,增大声辐射范围。激励射流声辐射强度要大于自然射流。（2）螺旋模态波包在近场演化和远场声辐射中,明显受非线性作用影响,随频率增加,非线性作用增强。特别是辐射能力最强的St=0.4,其声场受非线性影响出现衍射现象。加入多个螺旋模态波包,频率较高时,第一螺旋模态不再占据声辐射的主导位置,第二螺旋模态对声能也有贡献。（3）声辐射方向角对应于最大声压值方向,方向角与频率和扰动模态有关。同一频率下,轴对称模态与螺旋模态的方向角和声压强度略有差异。轴对称模态的声辐射集中性比螺旋模态强,高频扰动的声辐射集中性强于低频扰动。

关键词：超声速射流轴对称模态螺旋模态不稳定波非线性扰动方程非线性抛物化稳定性方程马赫波辐射

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超声速混合层中边频扰动的气动声场研究

超声速混合层中边频扰动的气动声场研究

作者：李云航天津大学

学位级别：硕士

气动噪声问题严重制约了航空工业的快速发展,进一步理解气动噪声的产生机理,进而预防或减轻噪声带来的危害,引起了学术界和工业界的广泛关注。超声速混合层作为自由剪切流的典型流动,有较高的工程实用意义,广泛存在于超声速燃烧冲压发... 详细信息

气动噪声问题严重制约了航空工业的快速发展,进一步理解气动噪声的产生机理,进而预防或减轻噪声带来的危害,引起了学术界和工业界的广泛关注。超声速混合层作为自由剪切流的典型流动,有较高的工程实用意义,广泛存在于超声速燃烧冲压发动机以及航空发动机等重要应用场景。本文以超声速混合层为典型流场,为研究一对频率接近失稳扰动的非线性演化过程,分析近场动力学特性,发展了仿射坐标系下的抛物化稳定性方程（PSE）,研究了频谱拓宽机理,重点分析了差频及其它低频扰动的演化特征。利用Wu的积分理论对远场马赫波辐射特性进行研究,并考虑影响差频扰动及马赫波辐射的因素。主要结论如下:（1）在超声速混合层中,差频扰动及其它低频扰动具有较强的增长能力。扰动的非线性作用与差频扰动的产生造成了频谱拓宽。（2）差频扰动频率大小、主波增长特性是影响差频扰动及其它低频扰动增长能力的重要因素。对于快模态,差频扰动频率越小,其增长能力越强,频谱展宽现象愈加明显;对于慢模态,差频扰动频率大小对其增长能力影响相对较弱,差频扰动频率变小,增长优势不再明显,频谱展宽现象变化不大。对于快、慢模态扰动,主波的线性增长率越大,差频扰动及其它低频扰动增长能力越强。（3）声辐射具有明显的方向性,且依赖于近场压力扰动的演化特性。差频扰动及其它低频扰动的产生,拓宽了马赫波辐射范围,增强了马赫波辐射强度。对快模态,差频扰动频率越小,远场马赫波辐射区域越宽,强度越大;对慢模态,差频扰动频率大小对远场马赫波辐射范围和强度影响较弱。

关键词：仿射坐标系下的抛物化稳定性方程差频扰动快慢模态频谱拓宽马赫波辐射

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超声速混合层气动声场的数值模拟与机理研究

超声速混合层气动声场的数值模拟与机理研究

作者：马利宇天津大学

学位级别：硕士

气动噪声问题制约着飞行器性能的提升,因此受到了工业界和学术界的日益重视。为进一步揭示超声速流动下混合层声辐射机理,提高对超声速混合层气动噪声的认识,对超声速平面混合层声辐射特性进行研究。本文采用混合方法,将计算域划分为流... 详细信息

气动噪声问题制约着飞行器性能的提升,因此受到了工业界和学术界的日益重视。为进一步揭示超声速流动下混合层声辐射机理,提高对超声速混合层气动噪声的认识,对超声速平面混合层声辐射特性进行研究。本文采用混合方法,将计算域划分为流体动力学近场和声辐射远场两部分。近场计算中,本文使用了抛物化稳定性方程(PSE)、扰动方程(NLDE)等方法,求解得到近场流动特性以及远场计算所需的参数等。远场计算中,将一种积分理论(Wu积分)应用到混合层远场压力预测上,得到马赫波辐射的声源位置、强度和方向。主要结论如下:(1)两种模态扰动波均沿着固定方向传播;Wu积分能够反应出噪声辐射源位于近场扰动压力幅值最大处,并准确反应出马赫波能量和相位沿固定的、两个不同方向传播的物理特征。(2)不稳定波的幅值演化特性决定了马赫波能量的集中程度,幅值增长衰减区间越短,马赫波波束越窄,马赫波能量影响范围越小;反之,马赫波能量影响范围越大。(3)来流温度比是影响声辐射的重要参数之一,且温度比的变化对快慢模态影响不一致。(4)结合PSE、NLDE和Wu积分研究了线性波包、非线性波包的演化及远场声辐射。结果表明:不稳定波频率之间的差值会影响马赫波辐射特性,差值越大,不稳定波峰值位置相距越远,远场马赫波辐射影响的范围越大。对于非线性波包,在入口加入两个频率相近的波时,非线性作用激发出差频波,等价于在下游产生了一个新的“声源”,强烈影响着远场马赫波辐射的强度和范围。

关键词：混合层抛物化稳定性方程非线性扰动方程快慢模态马赫波辐射气动声场