低速自由喷流结构中的声传播研究

The processes and laws of the sound propagation from the core area of the potential flow to the shear layer area and then to still air outside the flow field will be studied in free jet-flow for low wind speed. The difficulties and key points are the sound propagation law description in the unsteady turbulent flow at the shear layer area. The dynamic characteristics of unsteady flow in jet flow field will be simulated using the computational fluid dynamics method. And based on this, the sound refraction in the shear layer area will be researched firstly by setting an equivalent model that the flow is described as a variable velocities flow. Secondly, the sound scattering will be studied by setting another model that the flow is described as different size vortexes along the flowing direction. Then the sound propagation pattern of the two models will be deduced by the basic sound propagation theory and ray acoustics theory. At the same time, the influences on sound propagation of the jet flow will be tested in a standard open-jet acoustic wind tunnel to correct and validation research results. finally, the analysis method of the sound propagation in jet flow will be formed. The research involves some difficulties and focuses of basic scientific problem on sound propagation in unsteady turbulent flow and is an crossover study between aerodynamics and acoustics.It will play an important guiding role to solve the related problems urgently in current practice,such as acoustic test technology in acoustic wind tunnel. So, this project research has important scientific research significance and application value.

研究低速自由喷流结构中势流核心区声源产生的声波，经过势流核心区到剪切层区再到流场外静止空气中的声传播过程及其传播规律。其难点和关键点在于声在剪切层非定常湍流流动区内的传播规律描述。研究将利用空气动力学数值计算方法对喷流流场的非定常流动特性进行模拟，在此基础上先将剪切层区流动等效成变流速流动模型研究声折射，再沿流动方向等效成不同大小涡流动模型研究声散射，利用基本的声传播理论和几何声学理论推导两模型中的声传播方式。同时利用标准的低速开口式声学风洞开展喷流结构对声传播的影响研究以修正和验证研究结果，最终形成喷流结构中声传播的分析方法。 研究涉及到声在非定常湍流流动中传播的难点和热点基础科学问题，是空气动力学和声学学科的交叉研究，对目前实际中急待解决的相关问题如声学风洞测试技术有重要的指导作用，所以，本项目研究具有重要的科学研究意义和实际应用价值。

喷流结构中的传播是物理学的基础问题也是难点问题，诸如喷气式发动机、声学风洞等实际应用中这一问题又急待解决。本项目研究低速自由喷流结构中势流核心区声源产生的声波，经过势流核心区到剪切层区再到流场外静止空气中的声传播过程及其传播规律，重点聚焦到声在剪切层非定常湍流流动区内的传播规律描述这一难点和关键问题。项目研究基于声学和空气动力学基本理论，利用数值仿真和低速气动-声学风洞试验相结合的手段，得到了迄今为止较为全面细致的喷流对声传播影响的重要试验数据，是对该物理现象较为完整和清晰的展现；研究中引入的声线和涡量的关系，揭示了声折射及其导致大小变化的机理，对涡量在剪切层中正负分布不同引起声波畸变的分析，首次清晰解释了产生频带加宽的根源，是以往研究所没有的，是在机理研究上的创新；在此基础上，提出的扇形分层剪切层模型更能准确描述实际剪切层结构，由此得到的预测声传播特性精度更高；研究将湍流脉动下的声散射方程和数值方法有机结合求解非定常湍流流动中声传播，给出了求解同类问题的新思路；研究进一步结合实际结构中存在的地面和喷口声反射引起的声干涉现象，从本质上解释了实际试验中出现较大声大小变化的原因；研究还探索了低速流动中若流体速度较高会带来剪切层中介质密度分布不均，继而对声传播产生影响的重要问题；后两点研究结论对指导实际声学试验有重要的指导意义。上述研究结合稳态介质（喷流核心区定常流动介质和流场外静止空气介质）中的声传播计算方法形成了一套完整的从势流核心区向剪切层区再到流场外静止空气中的声传播分析模型及声传播的预测方法。项目研究对相关喷流结构中的声传播问题的现象、机理认识和进一步研究以及相关试验测试都有重要的借鉴和指导价值，同时，对于类似于剪切层这样的复杂湍流流动对声传播的影响提供了方法论上的基础，有重要的科学意义。