● 摘要
涡声现象在航空噪声中普遍存在，例如喷流噪声、机轮腔噪声等，为了研究旋涡发声的机理，本文以自由剪切层涡声现象为对象开展数值模拟研究。为了准确模拟旋涡发声现象，建立DVM-APE涡声计算模型，此计算模型是把模拟非定常涡量场的离散涡方法和计算气动声场的声扰动方法结合起来。本文主要围绕离散涡模型、声扰动方程开展相关工作。首先建立离散涡模型数值模拟非定常涡量场，获取声源；然后采用声扰动方法对二维自由剪切层的气动声场进行数值模拟，主控方程为APE涡声方程，采用频散相关保持格式空间离散，优化Adams-Bashforth时间推进格式进行数值求解，无反射边界条件为辐射、出流边界条件。本文的主要工作如下：首先，对二维点声源传播进行了数值模拟，分别计算了静止背景流、均匀背景流和剪切背景流条件下点声源的传播。在均匀背景流条件下，点声源会沿着来流速度方向向下游牵移，声源向下游迁移的速度即为来流速度；在剪切背景流条件下，点声源的声传播会产生多普勒效应。其次，对旋转涡对发声问题进行了数值模拟，采用涡核模型给定声源，主控方程为APE涡声方程，把此数值解和解析解做对比，吻合很好，通过APE涡声方程可以很好模拟旋转涡对的声传播问题。最后，对剪切层发声问题进行了数值模拟。声源是通过建立离散涡模型求解出非定常涡量场，把非定常涡量场作为声源作为声扰动方程的声源，DRP格式空间离散和优化Adams-Bashforth格式时间离散计算剪切层的气动声场。在旋涡形成的初始阶段，形成了单个旋涡，相当于偶极子，计算出的声压云图和偶极子的声场分布规律一致。随着旋涡的进一步发展，会形成复杂的声场分布。剪切层旋涡发声的数值模拟对揭示旋涡发声的机理和降噪新方法的研究具有一定指导意义。