欠膨胀自由射流啸叫单音声学共振及模态转换机理研究

【作者】 李庠儒； 何枫； 张锡文； 郝鹏飞；

【机构】 清华大学航天航空学院流体力学研究所；

【摘要】 本文对轴对称欠膨胀射流进行了系统性的声学测量和高速纹影流动显示实验,并选取多种流动工况,研究了不同模态下射流啸叫的声学共振机理和模态转换机制。通过对时间分辨的纹影图像序列进行谱本征正交分解(Spectral proper orthogonal decomposition,SPOD),提取出射流啸叫频率下的关键流场结构。详细探究了射流激波栅格的轴向尺度与驻波波长之间的关系:对于A1和B模式,驻波波长与激波栅格步长匹配;对于A2和C模式,在激波栅格步长的轴向变化过程中,其空间尺度逐渐接近驻波波长。对平均纹影图像和选取的SPOD模式进行轴向傅里叶变换。发现激波栅格步长的轴向变化在波数谱中表现为一系列的次要波数峰值;在不同啸叫模态下,上行引导射流模式(Upstream-propagating guided jet mode)通过K-H(Kelvin-Helmholtz)波包与激波栅格的主导波数或次要波数的相互作用激发。研究了产生多模态啸叫单音的射流工况,啸叫单音的模态转换可能由于与K-H波包相互作用的激波栅格波数峰值的变化,或者由于周向模态的变化,或两者兼而有之。通过对SPOD模态波数谱进行带通滤波,近似重构啸叫反馈环中的上行和下行波。基于重建的扰动波和纹影快照,研究了驻波结构的形成过程。当驻波波长与激波栅格步长相匹配时,在单个激波栅格的轴向范围内能够形成共振。在本研究中,提出了一种激波栅格共振模型,多个激波栅格的共振可以串联。基于该模型,可以调和前人关于射流啸叫声学共振机制的理论。更多还原