基于Kirchhoff方法的亚声速平面混合层主涡对并声场分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar252013V01．34No．3464．473ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educahkxb@buaa．edu．cn基于Kirchhoff方法的亚声速平面混合层主涡对并声场分析冯峰，王强*中国航天空气动力技术研究院，北京100074摘要：为拓展主涡对并气动声场计算分析方法研究，针对亚声速平面混合层主涡对并流动，采用直接数值模拟(DNS)方法求解获取近场声源，利用二维Kirchhoff频域法和

2、时域法外推声辐射远场，并应用Kirchhoff频域法对主涡二次对并声辐射特征进行分析。研究结果表明：Kirchhoff频域法和时域法具有一定差异性，但与主涡对并直接声计算结果对比，显示二者计算精度相当且均具有较高的精确性。通过Kirchhoff频域法应用分析，清晰揭示出主涡二次对并各声模态与主涡卷起、对并过程的对应相关性，利用频域法这种良好的计算分析性能，本文进一步研究了混合层入口扰动相位差对涡并声场的影响，展现出主导声波在声场中的重要作用。关键词：声辐射；可压缩混合层；Kirchhoff方法；直接数值模拟；主涡对并中图分类号

3、：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)03—0464—10在现代高速飞行器设计中，喷流噪声做为发动机噪声的主要来源而受到广泛关注。平面混合层是喷流的典型局部流动结构之一，由两股速度不相等的流体相互平行剪切而成。在无黏不稳定性机制作用下，平面混合层往往会因基频扰动失稳形成展向基频涡卷，即主涡结构。随着亚谐扰动增长，相邻主涡会出现配对，融合为大涡，形成主涡对并过程。已有研究表明[1。2]，当混合层受主涡及对并主导时，主涡对并成为具有离散频率的主要气动声源，并抑制流动中的自然宽频噪声。平面混合层主涡对并

4、声场可采用高精度数值模拟方法直接求解，但计算代价高昂。通常是使用数值模拟方法获得涡并近场声源，结合声比拟方法或声波外推技术求解声远场口]。Colonius等[23较早采用数值模拟方法对亚声速平面混合层主涡对并声场进行研究，并基于Lilley声比拟方法给出了主要声模态的辐射特征。其求解的Lil—ley方程具有较高精确性，但求解过程复杂，求解精度对声源项的选取十分敏感。Bogey等[4]基于Lighthill声比拟方法，也对主涡对并声场进行了相关研究，尽管计算声辐射形态与直接声计算结果基本吻合，但其求解的Lighthill方程忽略

5、了流动Doppler效应对声传播的影响。混合层涡并声形成机理及声辐射特征等问题的数值研究目前仍在不断改进，近年来随着越来越多的声波外推技术被用于研究二维模型中声形成及传播机制[5‘8]，将实用性较强但关注较少的声波外推技术二维Kirchhoff方法应用于平面混合层主涡对并声场研究中将极具价值。与常规声比拟方法的控制体积分不同，Kirchhoff方法采用声源控制体面积分外推法获得声远场。由于避免了高存储的体积分运算，Kirchhoff方法具有显著的收稿日期：2012—04—16；退修日期：2012—05-07；录用日期：2012

6、—05-31；网络出版时间：2012．06—2115：17网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V．20120621．1517008html基金项目：国家自然科学基金(11102198)*通讯作者Tel：010-68743314E-mail：qwan9327@163．oom}

7、角格式

8、FengF，WangQ．AnalysisofacousticfieldofprimaryvortexpairinginsubsonicplanemixinglayersusingKirchhoffmethod．

9、ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(3)：464—473．冯峰，I强．基于K，，chhoff方法的亚声速平萄混合最i潺对并声场分析．航空学摄，2013，34(3)：464．473冯峰等：基于Kirchhoff方法的亚声速平面混合层主涡对并声场分析存储经济性和计算高效性凹‘。Cheung和Lele[53在将PSE(ParabolizedStabilityEquation)方法引入混合层主涡对并声场数值模拟中部分涉及了Kirchhoff方法，以期获得计算声辐射形态，但未能进一步研

10、究Kirchhoff方法的精确性及在主涡对并声场分析中的应用性。为拓展Kirchhoff方法气动声场计算分析性能，本文将针对亚声速平面混合层流动，采用直接数值模拟(DirectNumericalSimulation，DNS)方法获取主涡对并近场声源，应用二维Kirchhoff