激波串與混合層相互作用中激波噪聲產生機理研究

《激波串與混合層相互作用中激波噪聲產生機理研究》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由張樹海擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：激波串與混合層相互作用中激波噪聲產生機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張樹海
• 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心

項目摘要

採用直接數值模擬方法，系統研究激波串與混合層相互作用過程中激波噪聲的產生機理。發展更適合於激波噪聲模擬的高階精度、高解析度、低耗散的捕捉激波格式，改進我們現有的模擬激波噪聲問題的軟體系統；直接模擬混合層自由發展過程以及激波串與混合層相互作用，獲得包括聲波在內的精確流場結構；深入分析激波噪聲產生的物理結構和演化規律，挖掘並揭示激波噪聲產生機理。

結題摘要

激波與混合層是空氣動力學的重要結構，它們之間的相互作用非常普遍，這種作用不僅會引起激波變形，改變混合層的增長速度，還會產生噪聲—激波噪聲。最典型的激波噪聲是超聲速噴流噪聲，由於噴流設計很難做到完全膨脹，結果欠膨脹或過膨脹的噴流在噴口處形成激波或膨脹波，它們在唇口下游產生的剪下層處發生反射，形成激波串結構，構成激波串與混合層的相互作用。許多工程中，激波噪聲是相當嚴重的問題。激波噪聲是超聲速噴流噪聲的最重要部分，強烈的激波噪聲是發展超聲速運輸機的重要障礙；戰鬥機的氣動噪聲主要來自激波噪聲，其武器倉內的強氣動噪聲會破壞武器倉的結構；火箭發動機內流場與聲波相互作用，會破壞發動機的結構，造成燃料泄漏，嚴重的會引起爆炸；強烈的噪聲會造成嚴重的環境污染，影響人們的身體健康，因此，預測和降噪是大飛機設計的一個重點。另一方面,激波噪聲是一種含激波、旋渦、湍流和聲波的多尺度複雜流動問題，與低速氣動聲學問題具有重要區別。開展激波噪聲的研究，不僅能揭示激波噪聲的產生機理，還將在Lighthill的氣動聲學理論基礎上，發展聲波在非均勻流體介質中傳播的非線性理論。 本項目針對激波串與混合層相互作用的這一模型問題，採用直接數值模擬，較系統地研究了激波噪聲的產生機制。在數值模擬方法、直接數值模擬和激波噪聲產生機制等方面取得了一定的成果。 首先，在數值方法方面，針對激波噪聲的計算需求，我們在項目組前期發展的線性類譜解析度的緊緻格式基礎上，結合WENO格式捕捉激波的思想，發展了非線性格式，使格式具有捕捉強激波的能力。結合快速掃描技術，發展了高效時間推進方法，提高了求解效率。 其次，為挖掘激波串與混合層相互作用過程中激波噪聲產生機理，我們設計了一個模型問題，即採用一條斜激波與一個空間發展的剪下層相互作用，剪下層下方為固壁，透射激波到達固壁後，產生反射激波，再次與剪下層相互作用，形成激波串與混合層的相互作用。通過對模型問題的直接數值模擬，給出了兩種激波串與混合層相互作用過程中激波噪聲產生機理。一種是激波與旋渦的相互作用，一種是激波泄露機制。 為了研究更為實際的激波噪聲產生機制，我們直接模擬了典型狀態超聲速軸對稱噴流的激波噪聲，獲得了包括激波噪聲在內的高精度流場數據，採用動態模態分解方法，分析了噪聲源的位置。