《基於PSE的高速自由剪下流結構模擬和噪聲預測》是依託中國航天空氣動力技術研究院，由郭欣擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於PSE的高速自由剪下流結構模擬和噪聲預測
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：郭欣
- 依託單位：中國航天空氣動力技術研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以現代航空航天高速飛行器內外流降噪技術研發為套用背景，改進和完善流場中噪聲計算方法，實現高速剪下流穩定性及其流場噪聲的快速、有效的預測及分析，為工程套用提供數值手段和理論依據。. 將流動穩定性分析方法拋物化穩定性方程(parabolized stability equations，PSE)套用到高速剪下流動的噪聲預測研究中。PSE方法控制方程為拋物型偏微分方程，採用有限諧波分量空間推進求解，有著計算占用計算機資源少，計算耗時小的特點，是流動穩定性分析和噪聲預測的快速有效的方法，有著良好的套用前景。採用PSE方法對不穩定擾動波的發展演化進行研究，實現流場結構的高效模擬，得到用於噪聲輻射的近場大尺度結構。進一步結合AA(acoustic analogy)計算出遠場的脈動壓力，或者直接採用PSE計算出遠場脈動壓力，從而對遠場噪聲進行預測。
結題摘要
採用拋物化穩定性方程（Parabolized Stability Equations，PSE）的新理論和方法對高速平面自由剪下層穩定性進行分析，對流場中二維和三維大尺度渦結構進行模擬，並實現超聲速渦結構遠場聲輻射的快速模擬。 對二維亞聲速和超聲速平面自由剪下層非線性穩定性進行了分析。模擬了擾動模態的非線性耦合發展演化過程，分析了模態之間的非線性相互作用。實現了二維亞聲速和超聲速平面自由剪下層非線性渦卷和渦並結構的非線性PSE模擬及分析。通過對比和驗證，表明非線性PSE方法是高速平面自由剪下層內非線性大尺度擬序結構快速有效的模擬方法。通過超聲速平面自由剪下層的遠場脈動壓力計算，對遠場聲輻射問題進行了模擬和分析。結果表明不穩定波的快速增長和擾動模態之間的相互作用，促使原本的均勻壓力場不再是時均等壓力場，且在非均勻壓力場中，最強聲波從渦卷或渦並區向剪下層低速流的下游遠場輻射。對三維擾動的非線性發展演化進行了非線性PSE計算，數值模擬了三維超聲速平面自由剪下層轉捩前期的H型和K型大尺度擬序結構的發展演化，重點獲得並討論了H型二次失穩的Λ渦、發卡渦、環形渦等不同演化階段。 另一方面針對亞聲速自由剪下流噪聲的物理特性，採用低耗散、低色散DRP（dipersion-relation-preserving）空間離散格式和低存儲最佳化Runge-Kutta時間推進格式，準確捕捉強剪下流動噪聲的產生和輻射過程。建立Kirchhoff聲外推方法，確保聲遠距離傳播的可靠性並提高聲遠場求解效率。針對空間發展二維亞聲速平面混合層模型，對全Navier-Stokes方程數值離散，在入口施加不穩擾動波，激勵形成的渦卷、渦並及其聲輻射現象。計算結果顯示，頻域和時域Kirchhoff聲外推法均能精確求解聲遠場，反映出聲波的指向性。套用頻域Kirchhoff法分析渦並聲模態特徵，表明第一亞諧和基頻聲模態分別與第一次渦並及渦卷現象相關，但易受更強的第二次渦並聲源干擾而呈現為多段指向性輻射形態；另外，改變入口第二亞諧擾動相位顯著改變主導聲模態的指向性。 總之，發展的高精度計算方法能成功地用於高速平面自由剪下層的二維及三維流場結構的快速數值模擬工具，並能實現超聲速渦結構遠場聲輻射的快速模擬，同時採用的近場數值模擬和遠場聲比擬方法實現了亞聲速遠場聲輻射的快速模擬。
