题目：微孔共振腔微流动机理数值模拟研究

声衬广泛应用于抑制航空发动机短舱中的气动噪声，航空发动机中常用的声衬是局域声衬，由一系列排列紧密的亥姆霍兹微孔共振腔组成。围绕微孔共振腔的研究工作已经开展了一个多世纪，但是至今为止仍有很多问题没有解决：首先，对高声强下微孔共振腔复杂的微流动机理和吸声机制的理解仍需进一步深入；其次，目前对微孔共振腔开展的研究基本都是基于标准的微孔共振腔模型，与真实声衬中偏置微孔的形式有着很大区别，而这一方面迄今尚未得到关注；微孔共振腔声阻抗建模一直是微孔共振腔研究中非常重要的研究课题，而目前非线性声阻抗的模型仍存在着一定的不足，亟待进一步完善。

因此，本文重点围绕上述三个方面的问题开展高精度计算气动声学数值模拟研究和理论研究工作，取得的进展如下：

1. 发展了适用于求解微孔共振腔问题的高精度计算气动声学数值模拟方法，采用了低频散低耗散的计算气动声学时间空间离散格式和边界条件。其中在完全耦合层（PML）边界条件中成功引入了声源，保证了边界处同时实现声源的引入以及声波无反射的离开计算域。同时，多时间步推进方法和并行策略、多尺度网格生成技术相配合，提高了数值模拟的计算效率。此外，本文还提出了一种微孔共振腔吸声机制的定量分析方法，该方法将计算吸声系数的双传声器法和积分统计法相结合，可以用于定量分析高声强下粘性耗散机制和涡脱落机制这两大微孔共振腔吸声机制的吸声效率。

2. 将所发展的适用于求解微孔共振腔问题的高精度计算气动声学数值模拟方法应用于标准微孔共振腔数值模拟研究中，开展了二维和三维直接数值模拟研究，重点研究了高声强下微孔共振腔腔口附近复杂的微流动现象，以及微孔共振腔吸声性能随入射声波声压级、入射频率的变化规律，通过定量分析方法深入分析了微孔共振腔的吸声机制。流场结果展示了二维和三维数值模拟的异同之处，同时显示出涡量在共振腔口产生的过程，即声能向涡系能量转化的过程是一个二维现象，因此二维和三维数值模拟对微孔共振腔吸声机理的研究能够获得相同的结果，这一结论也得到了吸声系数等定量结果的验证。同时吸声系数随入射声波声压级和入射频率的分布，以及吸声机制定量分析结果揭示了高声强下两大微孔共振腔吸声机制的变化规律。基于以上对吸声机理的透彻理解，本文建立了一种吸声系数经验预测模型。

 

3. 采用高精度计算气动声学数值模拟方法研究了单孔偏置微孔共振腔、双微孔共振腔和多微孔共振腔等一系列更加接近实际声衬的微孔共振腔模型，通过流场结果和吸声系数等定量结果深入分析了偏置微孔和多微孔对微孔共振腔吸声性能的影响。流场结果显示高声强下，偏置微孔的存在会影响微孔附近的流场，导致水平方向速度脉动的增加，从而抑制涡脱落现象的发生，继而削弱共振腔的吸声性能。偏置微孔对共振腔吸声性能的影响随着偏置距离的增大而提高，而这一影响随着共振腔中微孔数目的增多而逐渐减弱。

4. 基于对标准微孔共振腔微流动机理的理解，本文提出了新的非线性声阻模型，进一步完善了微孔共振腔声阻抗模型。本文通过数值模拟研究对高声强下微孔共振腔微流动机理进行了深入分析，发现了微孔中平均速度与声抗的关系，继而建立了一种新的非线性声阻模型，该模型能够独立准确的预测微孔共振腔由高声强引起的非线性声阻。而将该非线性声阻模型与已有的线性声阻抗模型和由切向流引起的非线性声阻模型相结合，可以获得一个更加完善的微孔共振腔声阻抗模型。通过在高声强以及切向流条件下不同算例中的应用，该模型能够快速准确的预测微孔共振腔或者声衬的声阻抗、吸声系数等结果。