Page 14 - 《应用声学》2022年第3期

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足。而LES可以同时获得流场内的大尺度涡和小尺
0 引言
度涡，但纯 LES 计算对计算资源要求较高。DES 方
法是将RANS和LES结合起来的新方法。该方法在
空腔流动现象广泛存在于航空飞行器中 [1] ，其
这些流动不稳定的区域，采用 LES 方法进行求解，
中机身表面的各种功能性开口都会形成空腔，气流
而在靠近物体的边界层内，采用 RANS 方法进行求
流过空腔时，当满足一定的气流条件和空腔几何条
解，这样既满足了计算的准确性又大大减少了计算
件时，将触发空腔噪声，空腔附近的噪声环境会变恶
资源。该方法对于空腔流动现象的分析有着较好的
劣。空腔噪声是一种典型的气动声源，主要表现为
适用性和准确性。
离散纯音叠加宽频噪声。空腔噪声会通过空气传声
飞机的开孔结构通常为圆形，其开孔的大小主
或结构传声的方式传入舱内，引起客舱声压级提高。
要由其功能决定。特定工况下，这类结构会产生空
同时考虑到人的主观感受，空腔离散纯音会对客舱
腔噪声问题，例如图1所示的波音777防冰孔 [1] 。关
的声品质产生较大影响。空腔内强烈的压力脉动还
于空腔噪声的研究，大部分研究对象是规则的方腔
可能诱发结构的疲劳破坏以及附近电子器件的失
和圆腔 [7−9] ，工程实际中研究较多的是武器弹仓噪
效。而空腔远场噪声可能影响飞机起降阶段的噪声
声问题 [10−12] ，针对飞机圆形开孔结构的研究较少。
水平。
因此，本文参照某型飞机环控排气管路的开孔形式，
国内外研究机构已经对空腔噪声问题的机理
提炼出圆形空腔结构。采用 DES 方法模拟了其绕
开展了大量研究，其中刚性壁面空腔的噪声机理有
流流场，结合经验公式分析了流场的非定常特性，并
自激振荡和声学驻波 [2] 。当两者频率接近时，空腔
探索了特定工况下的流声共振现象，为工程实际中
内将发生耦合驻波共振，自激振荡受到空腔驻波的
的开孔结构噪声分析提供了理论基础和分析方法。
作用而放大，形成典型的流声共振现象。关于自激
振荡，Rossiter [3] 将其归纳为一个声学反馈模型。当
气流流过空腔时，会在前缘分离形成剪切层，空腔
剪切层在流动不稳定性作用下逐渐向下游发展，最
终附着于空腔后缘，产生扰动波。扰动波会以当地
声速向上游传播，当传播到空腔前缘边界层分离区
时，会诱导产生新的脱落涡，该过程形成一个声学
᫹тߘ
反馈机制。当扰动波的频率和前缘涡脱落频率一致 (a) ᫹тߘᇨਓڏ (b) ᫹тߘ᮳ศവی [1]
时，空腔系统将维持自激振荡，并向外辐射噪声，这
图 1 波音 777 防冰孔
就是整个自激振荡的物理过程。关于声学驻波，该
Fig. 1 Circular anti-icing vents of a Boeing 777
现象是一个纯粹的声学现象。空腔内的声波与空腔
尺度量级相当时，由于边界的来回反射会形成驻波， 1 数值方法
表现为纯音信号。
由于计算机技术和数值计算方法的发展，目 1.1 仿真算法
前数值仿真已经广泛应用于空腔流动。对于流 数值计算采用基于 S-A 一方程湍流模型的
场的计算有：雷诺平均方法 [4] (Reynolds-averaged DES 方法求解三维非定常 Navier-Stokes 控制方程，
Navier-Stokes, RANS)、大涡模拟 [5] (Large eddy 仿真工具为商用软件FLUENT。S-A一方程模型是
simulation, LES)、脱体涡模拟 [6] (Detached eddy 由 Baldwin-Barth 湍流模型发展而来的，S-A 模型
simulation, DES) 等。RANS 方法在所有湍流计算 的应变量为 ˜ν，表示非黏性作用区湍动黏度，湍流涡
方法中计算量最小，但对流场的脉动量计算能力不 黏性v t = ˜νf v1 (f v1 称为阻尼函数)，˜ν 的输运方程为

2
[ { } ( ) ] [ ] 2
∂ρ˜ν ∂ 1 ∂ ∂˜ν ∂˜ν ˜ ν
˜
+ (ρ˜νu j ) = c b1 ρS˜ν + (µ + ρ˜ν) + C b2 ρ − c ω1 f ω ρ , (1)
∂t ∂x j σ ˜ν ∂x j ∂x j ∂x j d ˜