基于CFD和气动声学理论的空腔自激振荡发声机理

应用CFD技术和气动声学时域理论(FW-H积分方程),探讨了空腔自激振荡发声机理。腔内噪声计算以空腔流动解为基础,采用了气动声学时域理论,对该理论进行了推导说明,并利用圆柱绕流声学特性验证该方法基本可行。研究获得的空腔自激振荡模态分析结果与Rossiter和Heller等的预测结果基本相同,捕捉到了自激振荡的频域特性;分析表明空腔上方形成的剪切层中的脱落涡与腔后壁相撞,产生的一次声波辐射至腔前壁激发新的脱落涡,新的脱落涡与腔后壁再次相撞产生二次声波形成的流动声学反馈回路是导致空腔自激振荡和噪声产生的主要原因,且腔内声压幅值主要出现在一阶和二阶振荡模态,声音能量主要集中在较低频率区域。     

基于DDES的有／无舱门腔体气动噪声仿真分析

采用延迟分离涡仿真（ DDES）的方法研究了空腔和带有舱门的腔体的气动噪声特性。仿真在自由来流M＝0．85下,长宽深比值为5：1：1的矩形开放腔体展开。空腔仿真的声压级幅值结果与试验数据相比误差在4％以内,频率位置的预测较好。 DDES方法对于气动噪声问题具有很好的仿真准确性。空腔仿真结果和带有舱门的结果对比后表明,舱门迫使剪切层气流更多的撞击后壁进入腔体内部,使腔体内部尤其是中部压强波动增大,声压级在低频部分增量显著,达到了5 dB左右。     

零质量射流对开式空腔气动噪声抑制效果分析

高速开式空腔流动,腔内存在较复杂的流场结构,在一定条件下腔内存在较为严重的压力、速度等脉动,诱发强烈噪声,声压级(SPL)甚至可高达170 dB,对腔内的储藏物与空腔自身结构安全构成较大威胁,因此开式空腔噪声抑制方法成为争相研究的热点.为此,对跨、超声速流动条件（马赫数Ma=0.9,1.5）下有、无零质量射流时开式空腔...     

内埋武器舱动态流动特性及降噪控制方法研究

流动经过武器舱会产生诸如边界层分离、剪切层失稳、气动噪声等一系列复杂流动特征,进而可能对舱内设备和结构造成破坏。本文以近真实复杂内埋武器舱为研究对象,通过高精度数值仿真获取内埋武器舱动态流动特性;根据流场特性,分析武器舱内噪声产生机理,提出了前缘扰流片、导波管以及前缘吹气三种流动控制方案。通过高速风洞试验,系统分析了舱门开度、内埋武器挂载等因素对武器舱内噪声水平的影响,并且对不同扰流装置的降噪效果进行了测试分析。结果表明：内埋武器舱内流动以小尺度湍流结构为主;前舱在舱门小开度时总声压级较高,随开度增加后舱总声压级增大,舱门开到一定程度后,舱内总声压级分布基本一致。舱内挂载武器减弱流动对各壁面的拍击强度,使得舱内各壁面总声压级降低。三种控制方式均能够抬高剪切层,减弱武器舱内的能量注入,进而对武器舱内总声压级产生一定的降噪效果。在本文研究范围内,前缘扰流片的降噪效果最为显著,降噪幅值达5 dB。     

后壁倒角对开式空腔气动噪声抑制作用研究

在高速风洞中对空腔流场气动声学特性进行了试验研究,对空腔后壁进行倒角,以降低气流在该处的撞击强度,从而达到抑制空腔流场气动噪声的目的。试验马赫数(Ma)为0.6~1.2,空腔长深比(L/D)为4.1、4.7。试验结果表明:亚跨声速范围内,随马赫数增大,开式空腔流场气动声学环境恶劣程度加剧,最大总声压级高达170dB以上,声压频谱曲线上存在多个不同模态的单调声;后壁倒角后,腔底总声压级强度明显降低,且其降低程度随马赫数增大愈趋明显,最大可降低近7dB,空腔后壁上主噪声源附近总声压级强度可降低约1dB,声压频谱曲线上的能量峰值明显减弱。     

前缘直板扰流对高速空腔的降噪效果分析

高速空腔复杂流动和噪声一直是航空航天领域所关注的问题,高强度的空腔噪声不仅影响腔内仪器设备的正常运行,还会对其自身的结构产生疲劳破坏,进而影响飞行器的飞行安全和品质,因此空腔噪声的抑制研究和典型控制方法的降噪效果分析对提高飞行器结构安全性意义重大。本文通过开展高速风洞试验研究跨超声速（Ma=0.9和Ma=1.5）来流条件下前缘直板装置对空腔（长深比为6）流动和噪声的控制机理,通过对比多种前缘直板控制条件下的腔内噪声声压级（SPL）分布,确定直板控制参数的优化选择方法及最优参数;利用静态/动态压力传感器和油流试验采集腔内静压、脉动压力和壁面流谱,着重分析前缘直板对腔内流动结构、声压级和声压频谱的影响规律。结果表明：前缘直板可以大幅度抬高剪切层的位置,使得后缘的撞击区域后移,从而削弱流体进入腔内的流量和强度;可以有效降低腔内静压、减小回流强度和范围,对腔内声压级和峰值噪声也具有显著的抑制效果,Ma=0.9和Ma=1.5时后缘声压级降低幅值可达11.13 dB和8.0 dB。前缘直板流动控制为高速来流条件下空腔噪声的抑制提供了一种新的方法,可有效应用于飞行器上空腔结构的流动/噪声控制,具有重要的工程应用价值和前景。     

边界层厚度对腔体气动声学特性影响数值模拟

为了研究来流边界层厚度对开式腔体气动声学特性的影响,基于分离涡模拟方法,计算了来流马赫数为2.0条件下,不同来流边界层厚度与腔体深度比时,长深比为5.88的腔体流动特性,得到了该腔体声压级的频谱特性.计算结果表明:随着来流边界层厚度增加,形成的剪切层稳定性增强,失稳后上下摆动幅度减少,失稳生成的大尺度涡与超声速主流的相互作用减弱,使得大尺度涡发展到腔体后缘时所具有的平动动能和转动动能降低.大尺度涡撞击腔体后缘在腔体内形成的气动噪声的声压级降低,最大减小幅度达7.5dB.同时各阶模态的频率也发生偏移,偏移值在100Hz左右.基于新的假设重新推导了Rossiter公式,明确了经验常数的物理意义,并以此解释了频率偏移现象.      

开式空腔气动声学特性及其流动控制方法

在高速风洞中对空腔流场气动声学特性进行了试验研究,采用剪切层扰流法对流场进行流动控制,空腔长深比为4.1。通过对空腔流场的脉动压力试验结果分析,研究了亚、跨声速条件下开式空腔流场的气动声学特性及气动噪声抑制效果,对开式空腔流场气动噪声形成机制及流动控制机理进行了分析。试验结果表明:开式空腔流场气动声学环境恶劣,最大总声压级(OSPL)高达177dB;开式空腔流场存在强烈的自持振荡,声压频谱曲线上存在多个不同模态的单调声;亚声速条件下,采用剪切层扰动法进行流动控制可导致空腔流场气动声学环境更加恶劣;跨声速时,采用剪切层扰动法进行流动控制使空腔流场气动声学环境明显改善。     

前缘高频振动对亚声速开式空腔内强噪声影响的数值研究

空腔流动现象广泛存在于各类航空飞行器中,对其包含的多种复杂物理现象的研究具有十分重要的工程及实际意义。采用大涡模拟方法对开式空腔噪声进行数值仿真,并研究了腔体前缘壁面施加高频振动后对腔体内部纯音噪声及模态的影响。研究发现随着壁面振动频率的提高,腔体内部的纯音噪声峰值逐渐降低,当腔体前缘壁面振动频率达到4000 Hz时,腔体内部1阶与2阶模态的纯音噪声峰值分别降低15 dB和17 dB。因此在腔体前缘壁面施加高频振动能显著地降低腔体内部的纯音噪声,为扩展开式空腔的工程应用奠定了良好的理论基础。     

舱门对起落架流场和气动噪声的影响研究

前起落架一般具有异于主起落架的双侧对称舱门,民用飞机进场降落时打开的前起落架舱门必然对起落架流场和噪声产生干扰阻挡和反射作用。为了研究前起落架舱门对起落架流场和噪声的干扰阻挡效应,采用两轮起落架标模对改善的延迟分离涡模拟（IDDES）方法和福克斯·威廉姆斯—霍金斯（FW-H）方程进行数值方法验证;在数值计算方法准确可靠的基础上,对某民用飞机高保真前起落架有舱门和无舱门的两种模型的流场特征和远场辐射噪声特性进行对比计算分析,分析舱门附近流动演化过程及舱门对远场辐射噪声的影响。结果表明：由于舱门迎风端面非平直面,稍向内侧弯曲与来流具有一定夹角,导致在其前端引起当地流动分离,进而扩散到整个舱门之间的区域;两侧舱门阻挡干扰气流向展向扩散并撞击舱体侧面边缘的趋势,遮挡反射舱体前缘剪切流失稳撞击起落架产生的压力波,减弱了起落架的侧边噪声并形成声波干涉现象。     

应用等离子体激励器抑制串列双圆柱噪声的数值仿真研究

针对等离子体激励下的串列双圆柱绕流噪声抑制问题，通过将等离子体体积力模型、脱落涡模拟、声比拟理论等技术相结合的数值模拟方法，研究不同来流速度下等离子体激励器安装位置对双圆柱分离流形态控制与远场噪声抑制效果的影响。结果表明，当所施加的等离子体激励位于圆柱流动分离点附近时，控制措施可有效减小分离涡尺度和湍流强度，并显著降低远场监测点的总声压级。随着来流速度增大，等离子体激励器的降噪效果增强，同时最优安装位置前移。当来流速度达到55m/s时获得最优降噪效果，其远场监测点声压级频谱峰值和总声压级分别降低11.5dB和8.3dB。而随着来流速度的进一步增大，等离子体激励器的降噪效果逐渐减弱。所得结果对于等离子体流动控制抑制串列圆柱噪声的实际应用有一定指导意义。     

空腔流动的拉格朗日涡动力学分析

空腔流动中包含着丰富的涡结构相关物理现象,开展空腔流动中的涡动力学分析能够为相应的流动控制和降噪提供理论依据。采用直接数值模拟获得开式空腔流动的高精度流场数据,用拉格朗日拟序结构识别流场中的涡结构,并结合Q 判据和涡量通量分析,对空腔中涡的生成、脱落、对流以及撞击破裂过程展开研究,分析其动力学特性。结果表明:在一个流动周期内,拉格朗日拟序结构的卷起与脱离伴随着前缘涡的生成与脱落,向下游发展;拉格朗日拟序结构在后缘点的破裂伴随着Q 与涡的破裂;空腔内部的主涡则在整个流动周期内都维持相对稳定状态。     

不同喷嘴射流流场结构及噪声

针对射流产生噪声的问题,应用Smagorinsky涡粘性模型和二阶精度的有限体积法对不同喷嘴的外部流场进行了大涡模拟,研究了不同喷嘴外部流场非定常结构特性。射流噪声计算采用FW-H(Efowcs Williams&Hawkings)方法,给出了三种喷嘴的声压级。并以Ma=0.9时直喷嘴计算和实验结果为例,分析了在有限频率段内声压级的变化规律,并与实验结果进行了比较。结果表明:在同等条件下,收缩喷管的噪声等级最大,环型喷管的噪声等级最小。     

纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。     

湍流边界层厚度对三维空腔流动的影响

采用脱体涡模拟(DES)方法开展了不同湍流边界层厚度(TTBL)下的三维空腔非定常流动数值计算。空腔长、宽、深比例为5:1:1,来流马赫数为0.85,雷诺数为13.47×10⁶ m^-1,各工况湍流边界层厚度比值为1:2:4:8。研究结果表明,湍流边界层厚度对自由剪切层的发展、空腔底部静态压力分布、脉动压力及空腔流动类型均有重要影响,且随着边界层厚度的增大,下游剪切层覆盖的范围会增大,但是剪切层增长率降低;空腔前后静态压力压差减小、压力梯度下降;腔内局部测点的脉动压力声压级下降,各阶声压峰值频率向低频方向偏移;空腔流动类型往开式流动方向转换。     

槽道湍流在确定分布的展向电磁力调制下的壁面减阻机理

为了研究槽道湍流中确定分布的展向电磁力的流动控制与减阻问题,采用直接数值模拟的方法,对槽道湍流的确定分布展向电磁力控制后的流场中流向脉动速度、法向脉动速度以及雷诺应力分布的变化规律进行了研究。研究结果表明,槽道湍流流场存在大量分布紊乱的准流向涡和发夹涡结构,经过确定分布的展向电磁力调制之后,该流场的发夹涡结构基本消失,仅存在规律分布的准流向涡结构。控制后的流场相比于湍流流场,其流向脉动速度和法向脉动速度均受到了束缚作用,尤其是近壁区域更为明显。整个控制过程的实质是雷诺应力离散点向原点集中的过程,这个过程导致了流场雷诺应力和壁面阻力的下降。     

基于 DDES 算法的有扰流片腔体气动噪声分析北大核心CSCD

为了进一步了解腔体流场的物理特性以及锯齿形扰流片这种被动控制方法对腔体噪声振荡的抑制效果,对马赫数0.85下、长深比为5∶1的矩形腔体进行了气动声学分析。分析过程采用了基于Spalart-Allmaras单方程模型的延迟分离涡模拟(DDES)的CFD方法。计算结果以声压级(SPL)形式与英国QinetiQ基地进行的实验研究结果进行比较。计算准确地预测出了第二阶和第三阶主导模态的声调噪声幅值,其误差均不超过2dB。为了验证腔体前缘安装扰流片这种广泛应用的腔体噪声被动控制方法,计算重点分析了带有锯齿形扰流片的腔体结构噪声等级。计算分析结果与空腔结果对比分析后认为前缘锯齿形扰流片可以降低第二阶主导模态的峰值噪声等级10dB以上,其它频率下的腔体噪声等级可降低接近5dB,降噪效果较好。     

基于Mohring声类比发动机喷流噪声数值计算

为了研究非均匀流场中航空发动机喷流噪声特性,满足未来的航空器噪声适航要求,采用计算流体力学（CFD）和计算航空声学（CAA）相结合的混合数值算法,对大涵道比发动机喷管的简化缩尺模型进行气动噪声仿真计算。采用大涡模拟（LES）计算喷管的瞬态喷流流场;在流场计算的基础上使用Mohring声类比进行声源提取,将时均流场插值到声学网格作为背景流,结合有限元和无限元方法对喷流噪声近场以及远场的辐射特性进行数值计算及分析,并通过单通道锯齿形喷管试验验证数值计算方法的可行性。数值结果表明：发动机喷流噪声主要是由内外涵剪切层内的涡环破碎产生的大尺度涡而形成的,噪声辐射峰值主要集中在低频范围内,随着频率升高,各方向角的声压级都在降低,在1000～2500 Hz,从125 dB快速降低到105 dB,之后衰减速度变缓,到100 dB趋于稳定。数值计算方法精确度高,最大计算误差为1.97%。为发动机噪声适航提供了一种噪声预测方法。     

武器分离及舱门开启过程数值模拟研究

基于非结构重叠网格技术,发展了一套能较好模拟空腔流动和武器分离问题的数值计算方法.通过模拟典型空腔流动和WPFS模型分离轨迹,并与试验结果比较,说明本文方法可较好模拟空腔复杂流动和武器分离轨迹.采用发展的数值方法对某内埋弹舱舱门开启过程和内埋武器分离轨迹进行了数值模拟,研究了舱门运动的非定常效应对舱门气动特性的影响.研究表明:一定条件下,舱门运动产生的非定常效应对舱门气动特性影响较大,舱门和舱门控制系统设计时必须考虑;在本文给定条件下,弹舱内的内、外侧导弹均能安全分离.通过研究,为内埋弹舱的舱门设计和内埋武器分离安全评估提供了技术手段和依据.     

基于DDES算法的有扰流片腔体气动噪声分析

为了进一步了解腔体流场的物理特性以及锯齿形扰流片这种被动控制方法对腔体噪声振荡的抑制效果,对马赫数0.85下、长深比为5∶1的矩形腔体进行了气动声学分析。分析过程采用了基于Spalart-Allmaras单方程模型的延迟分离涡模拟(DDES)的CFD方法。计算结果以声压级(SPL)形式与英国QinetiQ基地进行的实验研究结果进行比较。计算准确地预测出了第二阶和第三阶主导模态的声调噪声幅值,其误差均不超过2dB。为了验证腔体前缘安装扰流片这种广泛应用的腔体噪声被动控制方法,计算重点分析了带有锯齿形扰流片的腔体结构噪声等级。计算分析结果与空腔结果对比分析后认为前缘锯齿形扰流片可以降低第二阶主导模态的峰值噪声等级10dB以上,其它频率下的腔体噪声等级可降低接近5dB,降噪效果较好。