激波和旋涡的相互作用及其声场

论文摘要

激波和湍流之间的相互作用被认为是噪音的主要来源之一,与一系列气动问题密切相关如火箭发动机、超音速飞行器和直升机产生的噪音,而旋涡是超音速湍流的基本结构,因此研究激波和旋涡相互作用对研究激波和湍流相互作用具有重要意义。激波和旋涡相互作用时,激波扫过旋涡后会产生变形并且诱导出声场。本文研究了激波和柱形旋涡的相互作用,研究的主要目的为捕获激波的变形特征以及波-涡相互作用过程中的声场,并了解声场的产生机制。本文采用空间和时间均为二阶精度的MUSCL-Hancock数值格式通过有限体积法求解二维Euler方程对激波和旋涡相互作用过程进行了数值模拟。首先对不同强度激波和不同强度旋涡相互作用的流场结构以及激波变形规律进行了分析,激波的变形形式有弱波-涡相互作用、马赫反射和规则反射三种形式。其次研究了波-涡相互作用中声场的演化,结果发现波-涡相互作用过程中声场的演化有三个阶段,且具有三道四极子性声波。在波-涡相互作用的早期阶段,由于旋涡的扰动造成激波扭曲变形,此时流场中的声场呈现偶极子特性,之后在激波与旋涡的后半部分相互作用阶段,由于在此阶段激波的变形存在恢复原状机制,导致原来偶极子特性声场开始转变为四极子特性声场。在声场演化的第三个阶段,第二道声波开始形成,之后随着波-涡作用继续发展第三道声波也将形成。最后,为了了解圆形激波与旋涡的相互作用与平面激波和旋涡相互作用的区别,本文数值模拟了内爆诱导的激波与旋涡的相互作用。模拟结果表明圆形激波与旋涡相互作用的激波变形形式与平面激波的激波变形形式类似。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外本课题的研究动态
• 1.3 本论文的主要工作
• 第2章 理论基础
• 2.1 声学基础理论
• 2.1.1 线性声方程
• 2.1.2 声能、声强和源强
• 2.1.3 波动方程
• 2.1.4 平面波
• 2.1.5 涡声理论
• 2.2 波-涡相互作用的声学相似分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 数值算法
• 3.1 非结构化网格流场求解
• 3.1.1 二维守恒定律
• 3.1.2 有限体积法
• 3.1.3 梯度估计
• 3.1.4 预估步
• 3.1.5 数值通量
• 3.1.6 边界条件
• 3.2 网格自适应
• 3.2.1 自适应准则
• 3.2.2 自适应策略
• 3.3 本章小结
• 第4章 激波与旋涡相互作用数值模拟
• 4.1 物理模型及模拟初始条件
• 4.2 波-涡相互作用的激波变形
• 4.2.1 弱波-涡作用
• 4.2.2 马赫反射
• 4.2.3 规则反射
• 4.3 波后旋涡强度的变化
• 4.4. 声产机制
• 4.4.1 波-涡作用声场的演化
• 4.4.2 声压的空间分布
• 4.5 本章小结
• 第5章 内爆和旋涡相互作用数值模拟
• 5.1 物理模型及初始条件
• 5.2 内爆传播过程
• 5.3 内爆-旋涡相互作用
• 5.4 声压分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢