热射流噪声及其非紧致声源机制

Noise generated by hot jets is the most important noise source of commercial planes, and to understand the effects of heating and sound source mechanisms can provide guidelines for noise control in the future. This project will be devoted to study the effects of heating on large scale coherent structures, non-compact sound sources and far-field noise (amplitude, directivity and spectrum shape etc.) of Round jets, to analyze and give more precise "physical sound sources", and to discuss the relations among instability waves, large scale coherent structures and non-compact sound sources; To investigate the changes of near-field flow dynamics and far-field noise of Chevron jets after heating, and compare them with that of Round jets so as to identify the mechanisms of noise reduction of Chevron jets; The governing equations of jet noise model based on parabolized stability equations and acoustic analogy equations will be given, in order to further study the effects of heating on growth / nonlinear interactions of instability waves and induced far-field noise. To study the influence of heating on jet noise from the view of relations among instability waves, coherent structures and non-compact sound sources is the major specialty of this project, and it can help to clarify the mechanisms of the low-frequency noise production in turbulent jets.

热射流噪声是商用大飞机噪声的最主要来源，认识加热效应和声源机制，可以为未来噪声控制提供有益参考。本项目将致力于研究加热对圆射流中大尺度相干结构、非紧致声源和远场噪声（幅值、方向性、谱的形状等）的影响，分析给出更加准确的“物理声源”，并讨论失稳波、大尺度相干结构和非紧致声源三者间关联性；研究加热对Chevron射流近场流动和远场噪声特性的影响，并将其与圆射流结果比较以得到Chevron降噪的内在机理；构建基于抛物化稳定性方程和声比拟方程的射流噪声模型方程，进一步研究加热对失稳波增长/非线性相互作用及其导致的远场噪声的影响。从失稳波、相干结构和非紧致声源间关系角度出发，研究加热对射流噪声的影响是本项目最主要特色，可以更好地揭示湍流射流低频噪声的产生机制。

在航空工程中，气动噪声是飞行器设计者所关心的重要问题。本项目将致力于研究加热对圆射流中大尺度相干结构、非紧致声源和远场噪声的影响，以及射流中空间失稳波演化和chevron射流的降噪机制。具体包含如下几个问题：（1）利用线性稳定性理论（LST）和线性抛物化稳定性方程（LPSE）研究了基本流温度、马赫数和动量厚度等参数对不稳定模态空间演化的影响，并基于动力学模态分解（DMD）和本征正交分解（POD）分析了亚声速旋拧射流大尺度结构空间演化特性，表明旋拧效应会增强非线性相互作用；（2）通过大涡模拟（LES）研究了亚声速转捩冷、热射流大尺度结构演化，并使用Kirchhoff声比拟分析了远场噪声特性，发现加热促进了流动转捩和提高了下游小角度方向的声压级；基于LPSE与Lilley-Goldstein声比拟方程，构建了线性和非线性声源模型，考察了线性与非线性机制对远场噪声的影响；(3)通过频域POD技术考察了冷、热圆射流中的大尺度结构演化、波包与线性失稳波的关系，表明某些低频段大尺度结构在增长阶段可以用线性失稳波表征；近场压力波包结合Kirchhoff方法预测了波包产生的远场噪声，揭示了与最具能量大尺度结构相关的波包可以捕捉到射流中最显著的声源特征；（4）采用LES方法研究了亚声速自由圆射流与不同锯齿数目的锯齿射流中大尺度结构的演化与远场噪声特性，结合POD分析了锯齿射流中大尺度结构，揭示了锯齿射流的降噪机理；（5）通过LST分析发现锯齿射流在喷口附近具有三类不稳定模态，并分析了其主导因素；通过线化欧拉方程研究了锯齿射流的低频声辐射特性，发现锯齿射流不稳定波包的声辐射效率明显低于圆射流。