低马赫数下凹腔流动振荡三维特性的实验研究

Cavity flow has many engineering applications, including open automobile windows and sunroofs, dump combustors, and airplane wheel wells. Cavity flow is known to be associated with high-level-noise generation, strong vibration and substantial increase in the drag force on the object containing the cavity. Understanding the mechanism of cavity oscillation, controlling the noise radiation and reduce the drag force on the structure have drawn the attentions of many researchers. Most of the studies of the cavity flow are based on a two-dimensionality assumption. The three-dimensional features of cavity unsteadiness/oscillation are rarely investigated. The current study will be focused on examining the three dimensionality of the self-sustained oscillation in a low-Mach-number cavity flow through unsteady-wall pressure measurement using microphone arrays. Simultaneous velocity and unsteady-wall pressure measurement provides the possibility to understand how the three-dimensionality of the flow is interacting with the self-sustained oscillation.

凹腔结构是汽车车窗、飞行器起落架、潜艇武器槽及发动机燃烧室等的典型结构。流体经过凹腔结构可能差生极大的压力及速度波动，引起结构的强烈振荡、产生高强度噪声、以及造成结构所受阻力的急剧增加，极端情况下可能摧毁结构本身。由于环境能源问题，降噪减租是汽车及飞行器设计的关键课题之一。正确理解凹腔振荡发生机理，实现对其有效控制是降噪减租的方法之一。由于凹腔流动的非定常及不稳定特性，目前该方向的研究大多基于二维假设。本项目希望利用麦克风阵列对凹腔内部脉动压力进行三维测量，探索凹腔振荡的三维特性，同时通过速度场和脉动压力场的同步测量，研究凹腔振荡三维特性发生机理。本项目希望揭示凹腔内部流动及振荡的三维特性与二位假设间的差异，填补现有凹腔振荡理论的不足之处。

凹腔结构是汽车车窗、飞行器起落架、潜艇武器槽及发动机燃烧室等的典型结构。流体经过凹腔结构可能产生极大的压力及速度波动，引起结构的强烈振荡、产生高强度噪声、以及造成结构所受阻力的急剧增加，极端情况下可能摧毁结构本身。由于环境能源问题，降噪减租是汽车及飞行器设计的关键课题之一。正确理解凹腔振荡发生机理，实现对其有效控制是降噪减租的方法之一。由于凹腔流动的非定常及不稳定特性，目前该方向的研究大多基于二维假设。.本项目利用麦克风阵列对凹腔底面脉动压力进行测量，探索Rossiter模式凹腔振荡的三维特性，同时研究凹腔宽度及宽度边界对Rossiter振荡特性的影响。研究发现，Rossiter振荡沿宽度方向同时存在，强度有所变化，靠近宽度边界附近震荡强度增加。凹腔宽度W/L ≈ 1时，Rossiter模式振荡消失，脉动压力出现低频能量集中。当凹腔宽度进一步减小为W/L <1 时，出现Rossiter模式振荡，并且振荡强度相对W/L >1的凹腔有所增加。这点和宽度对Wake模式振荡的影响完全不同。同时通过凹腔不同截面上各点速度大小与底面脉动压力的同步测量，分析凹腔Rossiter振荡发生的流动机理，探索凹腔宽度对振荡影响的流动机理。研究发现，宽度较大凹腔的中心截面上剪切层速度梯度相对宽度较小凹腔有所增加。而在同一凹腔内，靠近宽度边界附近，剪切层速度梯度及rms最大值相对中心截面都有所增加。凹腔内部存在Rossiter模式振荡时，中心截面速度rms值相对无Rossiter振荡的凹腔要大。.本研究发现Rossiter振荡沿宽度方向变化和Wake模式振荡沿宽度方向变化有所不同，同时发现，凹腔宽度对Rossiter振荡的影响相对wake模式更为复杂，宽度变化不仅可以改变振荡强度，还可能完全改变振荡特性。研究发现宽度变化对振荡的影响可能是通过凹腔内部回流，及宽度边界和剪切层的相互作用而引起的。凹腔振荡三维特性发生机理。本研究揭示了凹腔Rossiter振荡及内部流动沿宽度方向的变化，与二维假设间的差异，宽度对振荡及内部流动的影响，填补现有凹腔振荡理论的不足之处。