文摘

脉冲上游质量检查注射抑制超音速空腔振荡。效率和噪声控制的物理研究湍流大涡模拟(,)过去一个矩形腔length-to-depth比2。结果表明,脉冲质量注入有效减少腔振荡表现低于稳定。主要原因在于质量脉冲注入是无效的在提升腔剪切层和抑制湍流剪切层的波动。它的结论是分手的大规模vorticial结构到规模较小的长度显示直接联系现有大规模漩涡和辐射之间的空腔共振。

1。介绍

最显著特点之一在超音速流过去的开放腔自激振荡流的存在,它是派生fluid-acoustic反馈机制和结果的强烈共振噪音。共振噪声的辐射可能会影响附近的设备和环境有害,造成,例如,结构振动和疲劳,影响内部武器的车厢,和不受欢迎的噪音1- - - - - -6]。到目前为止,开发有效的稳定控制方法对超音速空腔振荡(仍然是一个具有挑战性的工作7]。空腔噪声控制得到的评论Colonius [3),罗利和威廉姆斯(4],Cattafesta et al。5]。的关键策略控制腔振荡是扰乱反馈机制(1)通过诱导或强迫扰动腔几何图形的附加设备或修改。上游注入是一个有吸引力的质量控制方法(8- - - - - -13]。简要回顾了在我们以前的工作(14),和两个主要机制被证明是直接负责的噪声抑制稳定的上游质量注入:举起空腔剪切层和阻尼的剪切层不稳定。在这里,我们试图抑制超音速空腔振荡脉冲上游质量注入。

发展大规模的漩涡腔剪切层已经被证明是一个关键因素的一代腔后缘附近的声波,上游传播和激发剪切层的反馈(15]。图1显示了一个示意图使用脉冲质量注入噪声控制的策略。如果上游质量注入操作频率不同于主导共振的频率(最大声压级),大规模的漩涡腔剪切层可以分解成更小的长度尺度。大规模漩涡到一个更小的分手长度规模预计将重新分配vortex-wall交互和缓解压力的能量印记腔下游墙上。Rizzetta和Visbal10)应用脉冲质量注入以非常高的频率抑制超音速空腔的共振和振荡模式。结果表明,大规模注入改变漩涡形成的特点和减少的振幅剪切层远足在垂直方向。很少有研究打扰的尺度进行大规模漩涡和之间的关系来分析大规模漩涡的波长和频率的脉冲质量注入。

本研究旨在阐明“vortex-breakup”方法的效率和物理超音速空腔振荡的抑制。大涡模拟执行。因为它是我们之前研究的补充(14),简要介绍问题设置和数值方法给出了部分2和3,分别。节4,我们将讨论的关键流程和仿真结果的噪声特性。结论部分5。

2。问题设置

一个动荡的过去一个矩形腔的气体流是模拟的,和分别腔的长度和深度。它属于开放腔一般(6]。图2显示了一个腔的几何示意图。的距离和腔的嘴唇被扩展的上游和下游方向,分别。没有定义侧壁腔模型。腔的宽度是。

开槽气体喷射放置腔前沿的上游。图3显示了开槽的几何喷气(的规模)。飞机跨越计算域和流向的长度这是定位的距离从尖端腔嘴唇。

大规模注入模拟通过指定一个飞机,这是通过槽垂直喷射。它的速度剖面被定义为以下(10]: 在哪里代表的最大马赫数射流,是声音的速度freestream流,和是坐标位置的边缘是飞机的操作频率。喷气式飞机的出口,压力从非粘性的正常的动量方程,获得和飞机被认为是等温在墙的温度。

四个模拟情况下执行。表中列出的流动条件1。我们设置了freestream马赫数选择了一个温和的雷诺数。流入动荡,边界层的厚度(99%速度厚度)是固定的。第一个噪声控制情况下的稳定(稳定)是飞机。两个情况下脉冲质量注入(Pulsed-F2和Pulsed-F10)计算。不同的脉冲频率来,在那里是主导共振的频率(最大声压级)的基线情况。对应波长(最精力充沛的)大型涡流腔剪切层(14]。因此Pulsed-F2案例将分手的长度规模最精力充沛的大型涡流较小(),也称为“vortex-breakup”的情况。Pulsed-F10案例,介绍高频质量迫使对占主导地位的空腔振荡模式,选择“cortex-breakup”的比较情况。注射的实验率表示动量通量的系数(16)如表所示1。

3所示。数值方法

控制方程的三维可压缩n - s方程在保守的形式。隐式的大涡模拟。采用结构化网格,网格点的总数是1140万。数值方法和验证的细节可以发现在我们之前的工作14,15,17]。

4所示。结果与讨论

最有趣的一点是,讨论的效率与质量注入噪声抑制。图4显示了压力谱在下游腔壁的中点。声压级(SPL)被定义为,在那里。斯特鲁哈尔数的标准被定义为,在那里是频率,腔的长度,是freestream速度。15分贝的噪音降低腔主导共振()和4 dB在宽带噪声获得了稳定的大规模注入的情况。然而,对于脉冲质量注入噪声衰减的情况下是不那么有效。Plused-F10宽带噪声的情况下也会减少约2 dB,但没有显著的衰减Plused-F2情况下获得的。一个额外的强烈共振观察Pulsed-F2情况下的频率是一样的脉冲频率的割缝喷气机。图5显示了压力波动的均方根的分布沿内部空腔墙,包括前面的墙,墙底部,和后面的墙。它代表了总体声压水平的分布(OASPL)。所有的控制情况下能够抑制动态压力加载腔壁和稳定质量注入导致更大的衰减比脉冲质量注入。

为了检查纵向尺寸的大规模漩涡腔剪切层,我们定义了一个参数代表vorticial连贯性的剪切层,平均横向的中期腔(),

在这里表示绝对流中的涡度,平均知识。的自相关分析执行。图6显示的自相关系数。纵向尺寸的漩涡腔剪切层,或剪切层不稳定的波长,可以估计的时间差(归一化两座山峰之间)。图6表明,大规模注入Pulsed-F2情况并引入一个行动的大规模vorticial结构分解成更小的长度范围,大约一半的基线情况。额外的共振()频率两倍的主导振荡模式只是对应于射流激励的频率和波长的大规模漩涡腔剪切层。尽管“vortex-breakup”的方法可能会导致额外的不受欢迎的共振,它提供了证据表明发展中大规模的漩涡腔剪切层直接与共振的辐射。对于Pulsed-F10注入脉冲质量并不影响大规模的波长漩涡。它表明造成的高频干扰注入Pulsed-F10情况可能很快消散,屈服于原始动态振荡模式存在的基线情况。稳定的情况下能找到的结果在我们以前的工作(14]。

由于传入的连接之间的交互流和垂直缝喷气,腔剪切层向上预计将取代噪声控制的情况。中央空间位置的剪切层提取的时均流场,它是绘制在图7。的位置,是腔前沿嘴唇。这些曲线代表的中心腔剪切层,由于腔剪切层的平均速度剖面稍微离开自相似性的规则通常观察到在自由剪切层和混合层(18]。故事情节在图7说明腔剪切层抬起在整个腔长度的三个控制情况下考虑。腔剪切层的提升能够缓解腔尾上的剪切层撞击墙壁,和响应噪声辐射的强度降低。人物的情节7和4还表明,高振幅的“举起”腔剪切层在稳定的情况下导致更多的降噪。图8显示轮廓均方根值的垂直速度波动()。质量稳定的注射可以显著抑制的力量剪切层和附近的空泡尾部墙。脉冲注入情况下减少在小振幅和剪切层的减少远足在垂直方向并不显著。这样做的原因是这一事实脉冲质量注入能力下降,减轻冲击剪切层的空腔尾墙比稳定。

图9显示了瞬时垂直速度波动之间的关系()和压力波动()腔剪切层,。这个位置被选中,因为它是离领导和空腔的后缘,这里的影响上游汹涌流入和冲击下游尽可能最小化。故事情节在图9表明,稳定的大规模注入的行为更有效地控制腔剪切层中湍流波动。注入脉冲质量的两种情况下,高频(Pulsed-F10)一个工作比“vortex-breakup”(Pulsed-F2)。湍流波动的不同特性是相关的另一个原因之间的噪声抑制脉冲的效率和稳定的质量注入。

5。结论

大涡模拟湍流(,)过去一个矩形腔length-to-depth 2的比例进行澄清的效率和物理超音速使用脉冲噪声抑制大规模注入。提出了一种“vortex-breakup”的方法和测试。它是基于假设的分手大规模漩涡成更小的长度规模预计将重新分配vortex-wall交互和缓解压力的能量印记腔下游墙上。虽然“vortex-breakup”的方法被证明是没有有效地控制超音速空腔振荡,甚至一个额外的强烈的共振可能诱导,价值的结论控制和空腔振荡的机制需要声明。

首先,大规模注入脉冲更有效地减少腔振荡比稳定注入相同的振幅。主要原因在于质量脉冲注入行为无效地抬起腔剪切层和抑制湍流剪切层的波动。减少剪切层的远足在垂直方向不明显的情况下脉冲质量注入。其次,分手大规模vorticial结构到一个更小的长度范围会导致额外的强烈共振,揭示大规模漩涡之间的直接联系和辐射腔共振。当脉冲频率超过一定值,动态振荡模式类似于基线情况。调查的关键脉冲频率是对未来工作的兴趣。关于抑制大规模漩涡的形成和发展中腔剪切层,建议执行不同相的脉冲质量注入与降维建模或反馈回路控制。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认中国国家自然科学基金的支持。11202131),中国国家基础研究计划(973计划),批准号2014 cb744804,上海汽车空气动力学重点实验室和车辆热管理系统。