超/亚声速射流噪声的机理研究和数值计算

Jet noise is an important and difficult research topic in aeronautics and astronautics, as it would cause environmental pollution, endanger the person's health, and reduce aeroengine efficiency and bring structural damage. Therefore, it is widely concered by industry and technology. For fluid dynamics, the jet noise is also one of the most challenging subject, for it contains two pieces derive from the disparate physics and scales —— turbulent jet flow and radiated acoustic field. The understanding of turbulence structure restricts the cognition of aeroacoustic noise..The aim of present project is to develop a new methodology for simulation and analysis the mechanism of jet noise. Parabolized Stability Equation(PSE), coordinating with Wu's integral extrapolation method, which is base on critical layer theory and asymptotic expansion approach, is employed. The nonlinear evolution of large-scale structures and wavepacket and their sound radiation are investigated. The inverse-energy-cascade of fine-scale structures were taken into consideration. The effects of dynamic characteristic of wavepacket on Mach wave radiation are explored in more detail, in order to established the relationship between structure and noise source. The research would provide theoretical basis for accurate prediction and control of jet noise.

射流噪声是航空航天领域一个重要且困难的问题，噪声污染环境，损害人的健康，影响飞行器的效率和结构安全，因此受到工业界和科技界的广泛关注。从理论上讲，射流噪声也是流体力学最具挑战性的课题之一。它包含了两个在物理上和尺度上完全不同的研究内容——湍射流和声辐射，而对湍流结构的认识直接制约着气动噪声的研究。.本项目拟在发展一种新的、分析计算射流噪声的方法，利用抛物化稳定性方程，结合Wu的声辐射积分外推方法，精细计算大尺度结构及波包扰动的非线性演化，包括差频扰动的演化、小尺度结构的“反向能量级串”，刻画大尺度结构辐射噪声的物理过程，探讨近场动力学特性对远场噪声的影响，并依此建立结构与噪声声源、强度、频率的关系，为分析射流噪声的产生机制，准确预测和控制噪声提供理论依据。

射流噪声是既具有挑战性又极富吸引力的流体力学难题。噪声的产生和传播有许多内在的微妙机制，解开这些谜底需要比解决大多数其他湍流问题更高的能力。在飞行器技术迅猛发展的背景下，发展预测超/亚音速射流噪声的高效工具是一个迫切的课题。.混合方法因其计算方面的优势业已成为气声噪声预测的常用方法。使用DNS或LES计算足够高分辨率的射流近场，利用声比拟模型确定远场声。因声源识别主要依靠Lighthill的声类比理论及实验结果，这样的混合方法缺乏细致的理论分析。.实验证实不稳定波，或大尺度相干结构是构成射流噪声的主要来源。Tam & Burton研究了超音速射流中不稳定波产生的马赫波辐射，用渐近匹配方法将声场与流场相匹配。吴雪松将该思想推广至亚音速，提出建立基于第一原理的噪声预测方法的构想。.本文的研究正是围绕这一思路展开。基于噪声产生物理机制和渐近方法第一原理，提出一种新的气动声学混合算法，非声比拟方法。将DNS/PSE与稳定性理论分析、渐近方法相结合，准确地捕获声源，计算远场声辐射。.对于超音速射流，不稳定波产生的马赫波辐射直接耦合到远场。DNS/PSE能够精细计算近场流体动力学结构和声源项，马赫波沿两条特征线传播至远场，声场可以确定。新混合算法给出的结果与实验及DNS结果完全一致。.亚音速射流，情况略微复杂，DNS/PSE能捕捉射流的近场动力学特性,对远场声辐射的预测有偏差。通过对不稳定波非线性演化过程的分析，发现在临界层速度和压力发生跳跃，导致声波产生。在正确获得声源的计算（等效声源）后，结合渐近匹配方法，给出远场的声辐射积分，建立了基于第一原理和声源项的非Light hill气动声学混合算法。.多个算例的计算证明了：声源项计算的准确性和声辐射预测的可靠性。毫无疑问，新的混合算法是预测射流噪声的行之有效的方法，值得后续推广应用。.