激波串与混合层相互作用中激波噪声产生机理研究

Using direct numerical simulation, we will systematically study the mechanism of the shock associated noise in the interaction of shock cells and mixing layers. We will develop higher order accuracy, higher resolution and lower dissipation shock capturing schemes and modify our current code for the simulation of shock associated noise. Based on direct numerical simulation, the exact flow structure including the sound field will be obtained for the evolution of mixing layer and the interaction between shock cells and mixing layer. The mechanism of the generation of shock associated noise will be revealed.

采用直接数值模拟方法，系统研究激波串与混合层相互作用过程中激波噪声的产生机理。发展更适合于激波噪声模拟的高阶精度、高分辨率、低耗散的捕捉激波格式，改进我们现有的模拟激波噪声问题的软件系统；直接模拟混合层自由发展过程以及激波串与混合层相互作用，获得包括声波在内的精确流场结构；深入分析激波噪声产生的物理结构和演化规律，挖掘并揭示激波噪声产生机理。

激波与混合层是空气动力学的重要结构，它们之间的相互作用非常普遍，这种作用不仅会引起激波变形，改变混合层的增长速度，还会产生噪声—激波噪声。最典型的激波噪声是超声速喷流噪声，由于喷流设计很难做到完全膨胀，结果欠膨胀或过膨胀的喷流在喷口处形成激波或膨胀波，它们在唇口下游产生的剪切层处发生反射，形成激波串结构，构成激波串与混合层的相互作用。许多工程中，激波噪声是相当严重的问题。激波噪声是超声速喷流噪声的最重要部分，强烈的激波噪声是发展超声速运输机的重要障碍；战斗机的气动噪声主要来自激波噪声，其武器仓内的强气动噪声会破坏武器仓的结构；火箭发动机内流场与声波相互作用，会破坏发动机的结构，造成燃料泄漏，严重的会引起爆炸；强烈的噪声会造成严重的环境污染，影响人们的身体健康，因此，预测和降噪是大飞机设计的一个重点。另一方面,激波噪声是一种含激波、旋涡、湍流和声波的多尺度复杂流动问题，与低速气动声学问题具有重要区别。开展激波噪声的研究，不仅能揭示激波噪声的产生机理，还将在Lighthill的气动声学理论基础上，发展声波在非均匀流体介质中传播的非线性理论。.本项目针对激波串与混合层相互作用的这一模型问题，采用直接数值模拟，较系统地研究了激波噪声的产生机制。在数值模拟方法、直接数值模拟和激波噪声产生机制等方面取得了一定的成果。.首先，在数值方法方面，针对激波噪声的计算需求，我们在项目组前期发展的线性类谱分辨率的紧致格式基础上，结合WENO格式捕捉激波的思想，发展了非线性格式，使格式具有捕捉强激波的能力。结合快速扫描技术，发展了高效时间推进方法，提高了求解效率。.其次，为挖掘激波串与混合层相互作用过程中激波噪声产生机理，我们设计了一个模型问题，即采用一条斜激波与一个空间发展的剪切层相互作用，剪切层下方为固壁，透射激波到达固壁后，产生反射激波，再次与剪切层相互作用，形成激波串与混合层的相互作用。通过对模型问题的直接数值模拟，给出了两种激波串与混合层相互作用过程中激波噪声产生机理。一种是激波与旋涡的相互作用，一种是激波泄露机制。.为了研究更为实际的激波噪声产生机制，我们直接模拟了典型状态超声速轴对称喷流的激波噪声，获得了包括激波噪声在内的高精度流场数据，采用动态模态分解方法，分析了噪声源的位置。