孔腔涡旋流动脉动压力波数-频率谱的大涡模拟研究
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摘要
孔腔流动中包含着流动分离和失稳等复杂的流动现象,引起的流体振荡会引起脉动压力的显著增加,从而产生强烈的噪声,因而受到国内外学者的广泛关注。湍流脉动压力是流激噪声的重要来源,也是湍流研究中的基础性问题,对其进行数值计算研究是流声耦合领域的重要内容。湍流脉动压力波数-频率谱能清晰地反映出脉动压力的迁移脊特征、幅值以及变化规律,更有助于对湍流结构时间空间关联特性的理解,所以湍流脉动压力波数-频率谱的构建技术是湍流基础性研究中的重要内容和难点,传统方法是基于模型试验构建,利用数值模拟构建波数-频率谱的国内外工作还目前尚非常少见。本文采用大涡模拟方法(LES)结合四种亚格子应力模型,分别计算孔腔模型取不同网格数量时的脉动压力,并与试验结果进行比较,验证数值计算方法的可靠性,并通过数值计算手段构建了孔腔湍流脉动压力的三维波数-频率谱。文章首先对大涡模拟方法的基本理论进行介绍,给出了亚格子应力模型的表达式。其次,采用大涡模拟方法计算了在不同流速下的孔腔涡旋结构和脉动压力,并与中国船舶科学研究中心水槽试验结果进行对比分析。随后,详细地分析了亚格子应力模型和网格数量对计算结果精度的影响。最后,基于时间-空间Fourier变换计算得到了孔腔壁面湍流脉动压力波数-频率谱,分析了其基本特征,从而为今后流激结构振动声辐射的计算研究奠定基础。
引文