超音速旋渦破裂及其噪聲產生機理研究

《超音速旋渦破裂及其噪聲產生機理研究》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：超音速旋渦破裂及其噪聲產生機理研究
• 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

採用理論分析和直接數值模擬相結合的方法，系統研究超音速旋渦破裂發生機理以及在旋渦破裂過程中噪聲的產生機理。發展超聲速旋渦運動的穩定性分析方法，研究自由運動的超音速旋渦對周向擾動的穩定性,回答自由運動的超音速旋渦到底能否破裂這一爭議問題；採用高階精度數值格式和MPI並行技術，直接模擬在自由運動的超音速旋渦中周向擾動演化規律，得到在各種周向擾動情況下，自由運動的超音速旋渦的演化過程，驗證分析結果。系統模擬強激波誘導旋渦破裂過程中產生的氣動噪聲，揭示激波誘導旋渦破裂過程中氣動噪聲的產生機理。

結題摘要

旋渦破裂一直是流體力學研究的熱點問題，具有廣泛的工程實用背景。比如飛行器背風區發生旋渦破裂，嚴重影響飛行器的氣動特性和機動性能；飛機在起飛和著陸時發生旋渦破裂，影響飛機起飛和著陸的頻率，從而影響機場的利用率；而燃燒室內出現旋渦破裂，會增強燃料的混合度，提高燃燒效率。旋渦破裂既有對工程有利的情況，又有對工程不利的情況，只有研究清楚旋渦破裂的物理機制，才能進行合理的控制和利用。此外，旋渦破裂是流體運動強非線性行為的結果，對它研究的深入，可以澄清流動中的許多非線性行為，是對流體力學理論的重要發展。 本項目研究擬針對旋渦破裂產生機理，採用理論分析和直接數值模擬的方法，系統研究漩渦破裂的產生機理及其漩渦破裂產生的氣動噪聲。 經過四年的研究，我們針對漩渦破裂數值模擬的需求和我們對漩渦破裂問題的認識，開拓了研究內容，對部分內容進行了一定調整，增加了旋渦結構的分析和數值方法方面的內容。 在數值計算方法方面，基本解決了國際上普遍採用的高階精度WENO對含激波的定常流動不收斂問題，發展了快速掃描技術，提高了計算效率；發展了具有譜解析度的緊緻格式，該格式的線性部分的解析度基本達到了有限差分方法的極限狀態，僅用三個格線，就可以精確模擬一個周期的波。是計算漩渦破裂和低速氣動聲學問題的理想算法。 發展了非定常流動的拓撲分析理論，系統分析了三維旋渦的時空結構，提出了“空間極限流面—流場中的龍捲風”的新概念。研究表明，封閉極限流面結構廣泛存在於旋渦運動、旋渦破裂、湍流和壁面分離中，它對認識流場結構、湍流統計規律以及噪聲產生機理由重要作用。 採用時空高階精度數值模擬方法，直接模擬了典型狀態的旋渦破裂過程，包括激波誘導旋渦破裂和自由運動的超聲速旋渦，激波誘導旋渦破裂問題的直接數值模擬揭示了旋渦破裂的雙HOPF分叉機制，在旋渦破裂區域具有多螺旋結構，同時分離了旋渦破裂的擾動機制，給出了旋渦破裂區域產生的類似於爆炸波的噪聲並分析了產生機制。通過跟蹤繪製旋渦破裂區域附近的粒子軌跡和空間流線，給出了極限流面的時空演化規律，驗證了理論分析結果。結合旋渦運動和流動分離，深入研究分析空間極限流面這一結構，提出從極限環起始的新的分離形態，即壁面起始的龍捲風，統一了壁面附近和流場內的旋渦結構。通過附加多種形式的擾動，對自由運動的超音速旋渦進行了大量的直接數值模擬，但仍然無法破裂。