超声速热射流激波噪声的数值模拟研究

【作者】 王奕韬； 李庠儒； 张锡文；

【机构】 清华大学航天航空学院工程力学系；

【摘要】 超声速欠膨胀热射流在航空工程技术领域有十分重要的作用,导弹或火箭的发射系统、飞行器的推力矢量控制系统等等,都涉及到超声速热射流的问题,因此,对于超声速热射流问题的研究具有实际意义。在过去的研究中,普遍认为超声速射流中的激波栅格结构和不稳定波的相互作用是形成射流噪声的主要原因,在高温情况下射流激波噪声的频率与声压级与常温情况有所不同,在相同的总压下温度的升高会导致激波噪声强度的降低。此外,在高温情况下,射流噪声的模态以及形成机理也有所区别,因此对超声速热射流的机理研究有很大的研究价值。针对超声速热射流问题,LES方法是一个比较好的计算方法,流体力学的基本方程可以选择守恒型的柱坐标N-S方程,并采用Steger-Warming通矢量分解以及七阶WENO格式对方程中的对流项进行差分。由于射流剪切层的存在,在计算时不能忽略粘性项,且在亚格子模式选取时需要考虑湍流特性,本算例选取修正的Smagorinsky涡粘模型。对超声速热射流的数值模拟结果显示,在来流总压一定时,前几的激波栅格的间距以及压力分布基本与温度无关。通过提取射流唇口平面附近的噪声信息,可以证明向上游传播的噪声强度随着温度的升高而降低,激波啸叫的对应的St数随温度升高而降低。另外,在来流总压压比为2.4的情况下,在常温下有明显的非倍频的第二峰值点,而在高温下该峰值消失。通过对特定频率下重构流场的相位分析,可以发现在该温度比下,主要的激波啸叫频率对应的噪声模态均为摆动形式,而常温下存在一个轴对称形式的次要模态,而在高温下消失。此外,根据Morinishi等人的研究,激波噪声由k-h不稳定波在激波栅格范围内能量的重分配形成,同时需要满足由中立生模态的色散关系,才能形成绝对不稳定的工资。如果同时考虑激波与不稳定波的相互作用以及中立声模态的影响,可以通过激波栅格特征波数以及射流剪切层内的对流速度关系判断能够形成稳定激波啸叫可能的特征波数。不同温度下,射流的啸叫频率对应的波数与特征波数相近。在高温射流中,不稳定波的对流速度相较于常温射流有明显的变化,因此由激波与不稳定波的相互作用引起的特征波数也有所变化,这会导致轴对称情况下的共振不能形成。这可以对高温情况下激波噪声模态变化做出一种合理的解释。更多还原