超声速喷流激波噪声基础问题数值模拟研究进展

超声速喷流问题是一个包含激波、旋涡、湍流和声波的多尺度复杂流动问题,其数值模拟方法及激波噪声产生机制是相关研究的长期热点和难点。本文简要回顾了超声速喷流激波噪声研究进展,重点介绍了针对激波噪声计算方法的非物理噪声消除技术和光滑因子设计准则,针对超声速喷流激波噪声研究设计的模型问题(包括旋涡–旋涡相互作用、激波–旋涡相互作用和激波–剪切层相互作用等),以及轴对称和三维超声速喷流的研究进展。本文还介绍了作者最近针对超声速喷流开展的三维直接数值模拟、实验验证工作和初步分析结果(包括轴对称模态定位、束缚波演化和摆动模态发展等)。

矢通量分裂法在喷管超声速喷流计算中的应用

研究了一种适用于喷管超声速喷流场的数值模拟方法。采用矢通量分裂法对喷管超声速无粘喷流场进行了数值模拟。将矢通量分裂法应用到轴对称Euler方程,并对发动机喷管尾部超声速射流进行了数值计算。计算结果与实验纹影图所反映的流动特性相吻合,与其他高精度数值格式的计算结果相比,矢通量分裂法的计算结果在轴线反射点附近具有很高分辨率,表明该方法对激波具有较好的间断捕捉能力,不会产生伪振荡或抹平现象。

喷管尺寸对超声速喷流噪声影响研究

为研究喷管尺寸对超声速喷流噪声特性的影响及其声场分布规律而设计了冷流实验系统,选用3种不同尺寸的喷管,采用LMS数据采集系统及噪声处理软件,对不同喷管尺寸、不同来流压强下的喷流噪声进行了采集和处理。实验结果表明,超声速喷流噪声具有较强的指向性,随着测点偏离喷流中心轴线角度从30°增加到180°,其声压级峰值逐渐减小,峰值频率变化不大;随着喷管尺寸的增大,声压级逐渐增大,其峰值频率逐渐减小;在该实验工况下,声压级峰值分布在80～120 dB,随着喷管尺寸从喉径10 mm降低到5 mm,峰值频率从不到6 000 Hz提高到11 000 Hz以上。

矩形喷管出口宽高比对流场与声场的影响

为探究矩形喷管出口宽高比对喷流流场和声场的影响规律,采用DES/FW–H混合算法对出口宽高比为3和1.5的矩形喷管超声速完全膨胀喷流开展研究,分析出口宽高比对喷流流动与噪声的影响。针对多个流场变量进行对比分析,以验证数值模拟方法的可行性,发现喷管出口宽高比不同,靠近出口内壁面上的压力变化也有所不同:喷管出口宽高比越大,压力变化越快。结合已有噪声实验数据和计算数据,验证了噪声模拟的准确性。对不同出口宽高比下剪切层厚度的变化进行了分析,研究了这种变化对喷流噪声的影响,发现随着宽高比增大,剪切层厚度增大,且剪切层快速扩张位置和高频噪声源位置向上游方向移动。对比了不同宽高比下出口唇线上特定频率噪声的相速度,研究发现:喷管宽高比不同,同样频率的近场噪声有着不同的相速度,这决定了近场噪声向下游传播的最大角度;相速度对应的马赫角越大,近场噪声向下游传播的最大角度越大;宽高比增大,长轴唇线上的相速度显著降低,近场噪声向下游的辐射角度减小。

高亚声速湍流喷流气动噪声数值分析

为适应航空噪声管制规定要求,发动机喷流噪声控制成为目前气动声学研究中的重要课题,预测分析喷流噪声辐射并揭示其产生机理将为噪声控制奠定基础.采用高精度并行LES(large eddy simulation)方法计算分析马赫数0.9高亚声速喷流的湍流演化和气动噪声现象.首先,仔细验证喷流LES湍流场计算保真性,并分析流场中不同尺度涡结构的演化形态.其次,利用可穿透面FW-H(Ffowcs Williams and Hawkings)方法外推喷流近场声源数据获得精确声辐射远场,进而分析声场主导声模态特性.最后,通过分析声源机制、分离声模态等方法研究势流核末端大尺度拟序涡运动演化形成的低波数波包在噪声主导声模态产生中的重要作用.数值结果表明LES结合可穿透面FW-H方法可精确预测高亚声速喷流的流场及声场特征,且数值分析揭示涡环对并形成的大尺度拟序结构在喷流中心线上沿径向融合,产生了在远场低方位角占优的主导声模态,并构成强指向性声场,噪声峰值方位角约为30?.

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ωSST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.

基于Mohring声类比发动机喷流噪声数值计算

为了研究非均匀流场中航空发动机喷流噪声特性,满足未来的航空器噪声适航要求,采用计算流体力学(CFD)和计算航空声学(CAA)相结合的混合数值算法,对大涵道比发动机喷管的简化缩尺模型进行气动噪声仿真计算。采用大涡模拟(LES)计算喷管的瞬态喷流流场;在流场计算的基础上使用Mohring声类比进行声源提取,将时均流场插值到声学网格作为背景流,结合有限元和无限元方法对喷流噪声近场以及远场的辐射特性进行数值计算及分析,并通过单通道锯齿形喷管试验验证数值计算方法的可行性。数值结果表明:发动机喷流噪声主要是由内外涵剪切层内的涡环破碎产生的大尺度涡而形成的,噪声辐射峰值主要集中在低频范围内,随着频率升高,各方向角的声压级都在降低,在1000~2500 Hz,从125 dB快速降低到105 dB,之后衰减速度变缓,到100 dB趋于稳定。数值计算方法精确度高,最大计算误差为1.97%。为发动机噪声适航提供了一种噪声预测方法。

高亚声速喷流近场的流-声关联

针对马赫数为0.9的圆口喷流,采用大涡模拟计算流场与声场,在与直接数值模拟(DNS)和实验数据比对验证的基础上,分析了中心线和剪切层湍流脉动信号与声信号的相关性,并进一步对中心线上温度信号进行相关性研究。结果表明:相关系数在中心线上势流核末端附近出现峰值,说明该处的湍流脉动信号对声压信号有重要贡献,而这一区域的流动的间歇性与对流速度均较高。同时,声压与中心线上的温度脉动和温度梯度径向分量的脉动也有较高相关性,但与温度梯度轴向分量的脉动相关性较低,表明在模拟的温度比下轴向温度梯度对近场声压贡献较小。

类火星环境中火箭起降过程喷流影响研究

采用尺度自适应模拟(Scale Adaptive Simulation,SAS)方法对火箭在起降过程中喷流的地面效应进行了数值研究,对比分析了在海平面和类火星环境下的喷流冲击倾斜地面和水平地面时的流场结构以及喷管的侧向载荷。在海平面环境下,喷管内部出现流动分离,喷管内壁压力先减小,在分离点处压力达到最低点,然后压力增加至环境压力。喷流冲击倾斜地面时具有更强烈的流动不稳定性,喷流出现明显的时间演化现象。在类火星环境下,喷管内部不发生流动分离,内壁的压力沿着流向逐渐减小。喷流冲击倾斜地面时,在喷管出口的外侧形成了上下移动的马赫盘;喷流冲击水平地面时,喷流和地面反弹气流相互作用,阻碍了马赫盘的形成。研究结果还表明在类火星环境和海平面环境下,喷流冲击倾斜地面时喷管内壁温度均上升。研究结果将为火箭回收和火星着陆的方案选取提供参考。

超声速欠膨胀喷流噪声数值模拟研究

本文采用LES/FW-H混合算法开展超声速欠膨胀喷流噪声模拟,研究了欠膨胀状态下喷流流场与声场特征,发现欠膨胀喷流核心区下游平均流向速度衰减较理想膨胀喷流减缓,而湍流速度脉动值增大。此外,欠膨胀喷流中激波波系/喷流剪切层干扰增大了作用点附近的高频和低频压强脉动值,其辐射的宽频激波噪声增强了侧向与上游方向的高频噪声。通过分解近场声场,并结合激波波系的捕捉结果,详细给出了激波泄漏产生宽频激波噪声的过程,揭示了宽频激波噪声的产生机理。

欠膨胀超声速冲击射流的大涡模拟

使用大涡模拟方法对喷管总压与环境压力之比为4.03、喷管高度与喷口直径之比为2.08的欠膨胀冲击射流进行研究,并考察流场的特性与波系的结构。数值结果清晰地表明了激波的位置与结构的周期性以及在冲击壁面与喷管唇部之间存在的反馈环。对脉动压力进行快速傅里叶变换的结果表明,反馈环与冲击单音具有相同的频率。通过对脉动速度进行本征正交分解,计算出各阶模态及其能量贡献率,并且讨论了湍流场中大尺度相干结构的产生、发展和演化现象。

基于各向异性非结构网格的超声速流动自适应计算

基于各向异性非结构网格,实现了自适应求解技术,将其应用于超声速楔形体绕流及超声速横向喷流问题的计算研究,对各向异性网格自适应计算过程的收敛性和求解精度进行了对比分析,展示了各向异性网格自适应算法在降低问题求解规模。提高各向异性流场分辨率等方面的优势及存在的问题。超声速楔形体无粘绕流场的自适应计算,清晰地捕捉到了激波附近的流场信息,激波前后的马赫数、压力、密度。温度等物理量与理论分析解吻合很好。超声速横向喷流流场存在激波、分离涡、边界层等流场结构的相互干扰。计算研究表明,单纯基于Hes-sian度量张量的各向异性网格生成及自适应算法不能有效模拟边界层内的流动情况,是将来需要进一步开展的研究挑战。

超声速侧向喷流干扰流场的稀薄效应研究

反作用控制系统(RCS)具有响应快速、控制灵活的特点,在临近空间飞行任务中可实现飞行器的精准姿轨控制,然而连续流区建立的侧向喷流干扰在稀薄流域逐渐弱化甚至失效。为了解决这一问题,针对平板和楔形块两种构型,采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)开展了超声速侧向喷流/高超声速来流相互干扰流场的稀薄效应研究。结果表明:平板和楔形块喷流干扰流场均出现经典干扰结构,如多涡、多激波等;特别地,楔形块构型中出现类似马赫杆的特殊弓形激波结构,其由大入射角前缘激波与喷流弓形激波相互干扰而形成。随着流动逐渐变得稀薄,喷口前涡结构逐渐减小至消失,激波增厚且干扰减弱,特殊弓形激波结构逐渐消失。基于壁面压力、切应力和热流系数分别定义了3种无量纲干扰强度和干扰区长度,均与克努森数呈近似幂律递减关系。超声速喷流干扰作用对平板与楔形块壁面热流的增长最显著,受到的稀薄效应抑制作用也最强;干扰区长度与气动特性参数无关,与本文的两种几何构型也无关。

高空模拟试车台超声速引射器数值研究

利用火箭发动机自身的超声速喷流作为引射气流的超声速引射器系统,在上面级火箭发动机高空试车台的研制中有着重要的应用价值,文中采用数值方法模拟求解了火箭发动机超声速引射器流场,比较了直管超声速引射器和有第二喉道的超声速引射器的性能、探讨了超声速引射器设计的影响因素。计算结果与实验结果符合较好,这表明该数值方法是研究超声速引射器的一种重要研究手段。

超声速理想膨胀喷流噪声的大涡模拟

为探究亚格子模型和热效应对超声速喷流流场与声场的影响规律,采用LES/FW-H混合算法对超声速理想膨胀喷流开展了数值模拟参数研究。首先,通过对比数值模拟与实验数据详细验证了LES/FW-H混合算法的可靠性,并结合Tam相似谱理论确定了实验与数值模拟中声场出现偏差的原因在于实验中存在宽频激波噪声。之后,讨论了亚格子模型对流场平均量、湍流统计量和噪声特征的影响,数据对比表明动态Smagorinsky模型的模拟结果与隐式亚格子模型的结果一致,且均与已有实验和数值模拟结果相符;而采用常系数Smagorinsky模型将导致流场和声场结果出现明显偏差。最后,通过改变喷流出口总温研究了热效应对超声速理想膨胀喷流流场与声场的影响,研究发现喷流总温升高增大了无量纲的高频流向速度脉动,同时对远场高频噪声具有显著的增强效应。

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟(LES)方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。

DPIV系统研制及其应用

笔者在北京航空航天大学流体力学研究所多年从事系统的PIV测试技术研究,经过科研攻关成功研制出目前国内第一套完善的实时数字式粒子图像测速(DigitalParticleImageVelocimetry)系统,实现了速度场和涡量场的实时测量,而且已经成功地应用于各项流体力学的实验测量中,其中包括:1.5M超声速喷流实验、三角翼前缘涡破裂复杂流场测量实验、大型工程水洞流场校测、绕摆动圆柱卡门涡测量实验以及锥阀管道模型和漩涡分离器内部流场测量实验等[1～3]。

逆向喷流对双锥导弹外形减阻特性的影响

逆向喷流是一种主动流动控制技术,具有减阻降热特性,可用于高超声速飞行器设计。以典型双锥导弹外形的球头、单锥、双锥(全弹)为研究对象,将喷流发生器和弹体固连,采用CFD方法对逆向喷流的减阻特性进行了数值研究,对比分析了喷流马赫数、喷流压比等参数对不同对象减阻效果的影响。结果表明:逆向喷流流场存在长、短射流穿透两种模态;球头在小压比长射流模态时的减阻效果最佳;单锥和双锥在大压比短射流模态时的减阻效果更好。存在一个最佳压比,使得逆向喷流的减阻效果最佳;喷流压力过大,减阻效果变差,甚至出现阻力系数不降反增情形。逆向喷流减阻效果对控制体选取敏感,若将逆向喷流对头部的减阻特性(超过40%)直接推广至飞行器整机(6%左右),评估结果过于乐观。综合最佳减阻效果、最佳喷流压比、流量与所需储气瓶体积等影响因素,工程应用时逆向喷流应优先选用声速喷流。

喷管间距对双喷流啸音影响的实验

实验详细测量了完全膨胀马赫数范围为1.10~1.60、喷管间距为1.6到3.2倍喷管出口直径的超声速双喷流近声场,分析了两个喷流各自发出的啸音在近声场的相位关系,研究了喷管间距对双喷流耦合的影响。结果表明:对比单喷流,双喷流耦合啸音在A模态时,呈现出反对称或对称模式,在反对称模式下,喷管中间区域啸音强度减小,对称模式下,双喷流中间区域啸音强度略大于单喷流啸音;B模态时,两个处于摆动模态的喷流啸音在喷管中间区域同相而发生耦合,极大地增强了B模态的幅值,达到160dB;C模态的相位关系还需进一步研究。对比不同喷管间距下的双喷流近声场,发现喷管间距过小或过大均不利于B模态的耦合;喷管间距对C模态影响最大,当喷管间距变大时,C模态幅值及主导马赫数范围均增大。

二维进气道不启动流场非定常特性的混合LES/RANS模拟

采用一种混合大涡模拟/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)方程模拟方法结合5阶WENO(weighted essentially non-oscillatory)格式对马赫数为3的来流中、内收缩比为1.5的不启动状态下的二维进气道进行了计算,再现了不启动进气道中的非定常流场.计算结果表明:所采用的模拟方法对入口处的平均绝热壁温、摩擦速度和雷诺应力的计算精度较好,进气道不启动流场中激波波系和分离区存在大时空尺度的低频运动,其占主导的特征频率和典型的激波/湍流边界层干扰问题中激波和分离区的低频频率接近,且进气道出现了间歇性的启动状态.