湍流噪声的声源机制和大涡模拟

Turbulence generated noise is challenge to both turbulence and aeronautics communities. Its central problems are the noise sources and prediction approaches. The objectives of this project are three folds: (1) identify the mechanism of two noise sources in turbulent shear flows and derive a universal form of their noise spectra, where the strong interactions of coherent structures and turbulent fluctuations in turbulence source regions are taken into account; (2) develop the sub-grid scale models and missing scale models for the noise spectra of "effective bands". The missing scale model aims to recover the contribution of missing scales to high-frequency noise. The large-eddy simulation without missing scale model presents a "narrow banded" noise spectra around its peaks. (3) develop a non-frozen flow model for pressure space-time correlations in turbulent shear flows and investigate the effects of compressibility on time scales, which highlights the new access to turbulence-generated noise. The new developments on the space-time correlation models could be used for identification and control of turbulence generated noise.

湍流噪声是湍流领域的挑战性问题之一，也是大飞机气动噪声的主要难点。它的关键在于湍流产生噪声的机理和预测方法。本项目将发展湍流脉动和不稳定波的相互作用理论，推导剪切湍流噪声谱的统计模型，解释射流噪声的双声源机制；发展针对湍流声场的大涡模拟亚格子模型和未解析尺度模型，解决大涡模拟得到的噪声谱"窄带"问题；发展压力时空关联的模型，研究可压缩性对湍流时间尺度的影响，开辟从时间尺度研究湍流噪声的新途径。本项目原创性发展湍流的时间尺度理论，它为湍流噪声的识别与控制理论提供了理论依据和预测方法。

本项目采用了时间-空间关联方法和不稳定波理论，研究了湍流噪声的声源机制，并发展了预测湍流噪声的大涡模拟方法。主要研究成果包括：提出了不可压缩湍流压力脉动和可压缩湍流的时空关联模型；发展了剪切湍流噪声谱的标度模型，阐明了剪切湍流的双声源机制；采用峰值和宽度刻画了湍流时空能谱的主要特征，定量描述了湍流噪声的多普勒移位和加宽效应；采用不稳定波构造自由剪切湍流的非线性声源机制，并在轴对称射流的涡配对噪声和亚声速射流噪声等典型流动中得到验证；研究了锯齿形管状射流噪声的三种不稳定模态，解释了锯齿形管状射流的降噪机理，并进一步提出了采用伴随方法控制射流噪声的新策略。根据上述理论和模型，我们采用大涡模拟和不稳定波计算湍流大尺度结构，采用时空关联方法模拟小尺度结构对大尺度结构的影响，发展了时间精准的大涡模拟方法，并以射流和圆柱绕流噪声为典型案例，构造了湍流噪声大涡模拟的数值平台。本项目的结果不仅发展了湍流噪声源的理论模型，而且发展了数值预测湍流噪声的大涡模拟方法，为实现全尺度航行器湍流噪声的超级计算机模拟奠定了基础。