同向旋转涡对发声的数值研究

为深入探索流动发声的机理,将Ribner和Meecham提出的膨胀理论扩展到有背景流场存在的情形下,并对同向旋转涡对的发声问题进行了数值求解。空间离散采用高精度谱元法,时间推进采用隐式Newmark法,并在外边界采用Eliane-Dan-Thomas吸收边界条件。计算结果与用匹配渐进展开法得到的解析解进行比较,数值解与解析解吻合较好。另外计算了同向旋转涡对在不同旋转马赫数、均匀流场、剪切流场影响下的发声情况,并且对其频谱成分进行了分析。研究结果表明:谱元法结合膨胀理论能够高精度求解不可压缩流动引起的气动声学问题;吸收边界条件的使用有效降低了声波在边界处的反射;随着旋转马赫数的增大,声波波长减小,声源强度增大,峰值频率也随之增大;在均匀流场和剪切流场的作用下,声场呈现了典型的多普勒效应。

二维涡融合特性分析

数值模拟二维涡融合现象,确定涡融合判据,分析涡融合基本过程,得到了融合过程的空间、时间特征。根据融合速率将融合过程分成4个阶段:①准稳态阶段;②涡量传输阶段;③涡量耗散阶段;④融合稳定阶段,给出各阶段的持续特征时间尺度,指出第3阶段发生了"反弹"现象,进一步分析不同雷诺数下的涡融合过程,得出不同雷诺数下涡融合过程具有"相似"特性的结论。

谱元法应用于涡声传播问题的研究

为了满足计算气动声学对低色散、低耗散高精度数值离散格式的需求,将高精度谱元法结合声比拟理论应用于求解气动声学问题。以伪声压的时间二阶导数作为非齐次波动方程的声源项,空间离散采用谱元法,时间离散应用隐式Newmark法,并在外边界采用C-E-M吸收边界条件,求解了由两个相距为2r0的等环量点涡组成的同向旋转涡对的发声问题。旋转涡对的不可压缩流场通过复位势理论获得,声源由流场量计算得来,并将数值结果与应用多级匹配展开法得到的解析解进行比较,可得数值解与分析解吻合较好。研究结果表明:应用高精度谱元法进行空间离散时,每波长的网格数为11时可达到很高的精度;网格数一定的情况下,时间步长越小得到的数值解与分析解之间的误差就越小;另外,证明了将伪声压对时间的二阶导数作为声源项,能够高精度求解不可压缩流动引起的气动声学问题。