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摘要
如风扇、小型无人机及风力机诸多工业领域中的设备,其翼型的雷诺数为中等;在中等雷诺数情况下,翼型非定常剪切层会与噪声产生闭环耦合相互作用,导致产生强烈离散纯音噪声产生,所以该现象引起了科学界和工程领域中众多学者的兴趣,尤其因为最近小型无人机的兴起;进一步认识和理解中等雷诺数下纯音噪声产生机理,能为有效控制或降低纯音噪声提供一定的理论依据。由于声场和流场存在非线性相互作用,离散纯音噪声的频率较低,所以采用基于大涡模拟和格子玻尔兹曼方法的噪声直接计算方法,对中等雷诺数层流翼型的非定常流动和远场噪声进行直接计算。大涡模拟方法的亚格子模型为动态亚格子模型,壁面流动直接求解;翼型为NACA 0012,迎角为2°,层流来流速度为34m/s,雷诺数为2e5。数值结果表明,基于大涡模拟的声场直接计算方法,离散纯音噪声的频率主频为750Hz,次谐频1500Hz,频率、幅值和直接数值模拟的结果一致,说明大涡模拟方法能够用于中等雷诺数下,层流翼型纯音噪声声场的直接计算;通过对翼型壁面边界层20%处、剪切层、尾流及远场处设置的监测点,其压强功率频谱特性进行比较和分析,发现翼型吸力面和压力面边界层内、剪切层压强频谱和远场声场的频谱图具有相似性,离散主频的频率和纯音噪声主频相同,但幅值不一样;远离翼型后缘的尾流区内,流场的压强频谱和远场噪声没有相似性,没有出现幅值较大的离散主频;这说明在翼型周围存在一个声场和流场相互作用即声涡相互作用的通道,该通道和翼型的尾流没有关联,并止于翼型后缘附近。对近场压强和远场声压进行时间相关性分析,发现近场压强都和远场声压高度相关,但迟滞时间并不相同;后缘附近近场压强的迟滞时间等于该处声波传播到远场的时间,说明此处为声源区。边界层内和剪切层流动的压强迟滞时间和声音传播时间相异,近场压强彼此时间相关性分析说明迟滞时间为流场压强扰动向下游传播的时间。以上分析表明,随着近场流动扰动的增强,在翼型后缘处,扰动向远场辐射噪声,噪声声波和翼型前缘附近某处剪切层流动相互作用,诱使某个频率的扰动被放大,随着流动向下游流动,被放大的某一频率的扰动进一步被增强,在后缘出辐射噪声,从而形成闭环耦合,产生声涡相互作用的流场以及离散纯音噪声。
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