湍流射流中大尺度结构声源与波包模型

Turbulent jet noise exists widely in jet engines of military and commercial planes. Investigation of the evolution of turbulence and noise generation mechanism in turbulent jets has great scientific significance and theoretical value in guiding design of quieter airplanes. Previously, most of work about jet noise simulations focused on studying the jet with laminar inflow conditions in combination of external forcing or naturally transitional jet, however, the inflow conditions of most jets are turbulent in reality, and large coherent structures corresponding to the dominant noise sources possess much lower energy, which leads to a lot of previous research conclusions cannot be directly extended to real problem. This project is dedicated to performing large eddy simulation of jet with turbulent inflow conditions using high-resolution numerical schemes, and to studying the corresponding characteristics of far-field noise and near-field turbulent statistics. We will investigate the dynamics of large coherent structures, the spatial evolution of instability waves by non-parallel stability analysis and the relationship between the large coherent structures and instability waves. Using parabolized stability equations and linearized Euler equations, we try to build high efficiency wavepacket models for noise prediction considering nonlinear effects and some other turbulent statistics, and the contribution of each factor to acoustic efficiency will also be investigated in detail.

湍流射流噪声广泛存在于军用和民用航空发动机领域，研究其湍流演化特性和噪声产生机制具有重要的科学意义，可为飞机的降噪设计提供重要的理论指导。先前，大部分的射流模拟工作主要集中于具有外部激励的层流来流射流，或者是自然转捩的射流，而真实情况下射流来流均为湍流且大尺度相干结构能量占比较低，而大尺度相干结构被认为是射流中最重要的声源，于是造成先前很多的研究结论无法直接推广。本项目主要采用高精度数值方法对湍流来流射流进行模拟，研究相应的远场噪声和近场湍流统计特性；重点研究射流中大尺度相干结构的演化，采用非平行流稳定性分析方法得到失稳波演化，并研究相干结构和失稳波间的关联性；借助于抛物化稳定性方程和线化欧拉方程，考虑非线性效应及部分湍流效应，构建与大尺度结构声源对应的高效噪声波包模型，并研究各种内在效应对声辐射效率的具体影响。

湍流射流噪声广泛存在于军用和民用航空发动机领域，研究其湍流演化特性和噪声产生机制具有重要的科学意义。本项目结合高精度数值方法和非平行流稳定性分析方法，主要研究了相干结构发声和失稳波间关联性，噪声波包模型非线性建模，以及射流和方腔噪声的噪声控制。具体包括：（1）采用大涡模拟方法，开展了具有湍流入口的射流的内外流一体化模拟，构建了更为真实、更为接近实验条件的射流时空数据库。在可压缩自由剪切系统中考察了时空关联模型，验证了椭圆近似模型的适用性。（2）基于抛物化稳定性方程和伴随方法，对不同温度比的超声速射流的入口扰动进行了优化。对同轴射流构建了包含敏感性激励和最优激励的非线性波包模型；（3）研究了亚声速湍流射流的波包模型，基于伴随方法和湍流相干性衰减的特性构建了非线性波包模型，结果表明非线性能够提高波包的声辐射效率；（4）针对超声速平板射流和亚声速方腔噪声开展了被动控制研究。喷管斜切修形能明显抑制射流的摆动模态，方腔底部加装多孔材料在腔内诱导吹吸作用改变流动结构，两种方式都能显著地降低噪声水平。本项目系统性地研究射流大尺度相干结构发声机理，探究了相干结构和失稳波间的关联性，指出了非线性在波包模型中的关键作用，可为大飞机的降噪设计提供重要的理论指导。