可压缩流气动声场的数值模拟

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">气动声学是一门流动力学和声学之间的交叉学科，主要研究流动及其与物体相互作用产生噪声的机理。动用计算技术研究气动声学问题的手段称为计算气动声学。本文的目的是，基于高精度数值算法的研究，分别运用Lighthill比拟理论、Kirchhoff积分和直接数值模拟等方法，针对翼型绕流、激波-涡干扰和轴对称射流，研究了物面非定常脉动压力、涡脱落、激波-涡干扰以及涡对并等产生噪声的机理。首先针对声场与主流场在能级和特征尺度等方面的差异，从空间离散角度分析了几种差分格式，表明迎风紧致格式/对称紧致格式有较小的数值色散、耗散和各向异性误差，因而适用于气动噪声的计算。以Runge-Kutta格式为例，对时间离散带来的误差进行了分析。指出对声波计算来说，仅考虑格式稳定性是不够的，时间步长还受到允许色散误差和耗散误差的限制。基于保色戎关系的思想，构造了优化Runge-Kutta格式。处例显示优化Runge-Kutta格式相对于经典格式有更高的计算效率。采用3阶迎风紧致格式和3阶Runge-Kutta格式数值模拟了NACA0012翼型的可压缩非定常绕流流场，并将此流场作为近场声源，运用声学比拟理论对偶极子声和四极子声进行研究。结果指出，主流速度对远场声压有决定性影响，在来流马赫数较大时，四极子噪声和偶极子噪声具有相同量级，不能被忽略，表明了可压缩效应对声场的影响。采用5阶迎风紧致格式和4阶Runge-Kutta格式求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，对激波-单涡/双涡干扰导致的声场进行了直接数值模拟。详细研究了激波-涡干扰产生噪声的机理，指出噪声的产生及其性质和激波变形密切相关。研究了近场噪声衰减和传播距离r的关系，发现噪声衰减大致和r~(4/5)而不是r~(1/2)成反比关系，提出这种差异是由流场的非线性效应引起的。构造了Kirchhoff积分和非定常流动计算相结合的算法。采用5阶迎风紧致格式和3阶Runge-Kutta格式对亚声速轴对称射流进行直接数值模拟。将射流流场作为近场声源，结合Kirchhoff方法求解远场 气动噪声。数值结果表明远场噪声具有方向性，噪声声压在离开对称轴20°处达到最大值。随着传播距离增大，噪声方向性逐渐减弱。</span>