腔内湍流瞬态流动分析成果

对膨胀腔内的非稳态流动进行时域模拟仿真，入口气流马赫数为0.147。流场发展初期时腔内的流速云图如图 6.9所示。云图是沿 Y-Z平面的剖面图。

图6.9　腔体内部流场初期流速云图

从图6.9可以看出，气流从膨胀腔的入口喷射出来进入腔体之中，腔体轴中心处的高速气流与腔体膨胀部分内的几乎静止的气流形成强剪切层。在剪切层中，流速梯度变化剧烈，并对流速的分布产生了影响。

为了更加清楚地反映腔体内部流线以及压力场分布情况，绘制了时域仿真中某时刻压力云图及速度矢量图，如图6.10所示。

图6.10　膨胀腔内压力云图及速度矢量图（M=0.147）

从图6.10可以看出，由于气体黏滞效应，剪切层中的部分流动在腔体中段开始改变方向，逐渐形成漩涡。剪切层中流动的变化，也引起了腔体内压力的波动，且腔内压力变化与漩涡产生的位置基本一致。流场中的漩涡在气流的作用下变大，并在腔体下游部分造成范围更大的压力波动。

将膨胀腔出口管中的流速矢量和压力分布绘制出来，如图6.11所示。

图6.11　膨胀腔出口管中压力云图及速度矢量图（M=0.147）

图6.11显示了膨胀腔出口管中的流速矢量和压力分布随时间的变化过程。从图中可以看出，由于膨胀腔收缩截面的阻挡作用，流体在出口截面处的流动发生变化，一部分流动在膨胀腔体内部形成回流，而另一部分则挤压进入出口管中，从而造成出口管中气体流动速度方向和压力产生了剧烈波动。

对于低马赫数流动，涡量可以更清楚描述流场的非定常流动过程，涡量的表达式见式（6.9）[143]。

根据式（6.9），计算出腔体内部三维流场的涡量分布，并沿Y-Z平面截取涡量云图，如图6.12（a）所示。(www.xing528.com)

图6.12　时域瞬态流场仿真结果与试验结果对比

从图中可以看出，涡量主要分布在剪切层中，并在腔体中部的位置开始脱落形成大的漩涡。图 6.12（b）为 Takashi[82]通过流场可视化技术观察到的膨胀腔内漩涡的分布。对比图 6.12（a）和（b）可以看出，仿真和试验观察结果中脱落的漩涡都分布于剪切层附近，位于腔体中部沿轴线对称的位置。Takashi的流场可视化试验结果对膨胀腔内时域瞬态流场仿真结果提供了有效的验证。

为了查看漩涡随时间变化的过程，将连续几个时刻的 Y-Z平面内截取的涡量云图绘制出来，如图6.13所示。图中清楚地显示了涡量随时间变化的过程。气流从膨胀腔入口中喷射出来，在气体黏滞效应的作用下，强剪切层中会生成小尺度的涡结构，因而涡量呈细长的带状分布。而在偏离入口一段距离的中下游段小尺度涡结构在气流的作用下，不断获取流体中的动能，涡结构逐渐变大，然后脱落，并向下游收缩截面处移动。最后涡结构与收缩壁面处的流体相互作用，破裂分散成一片区域。由于收缩截面的影响，气流在膨胀腔出口处受到挤压而形成湍流，云图中出口管段也显示出大量的涡量，并随时间处于动态变化之中。

图6.13　腔体内部的涡量时变云图

图6.13显示在腔体内中下游段强剪切层附近区域以及出口管段处是涡结构脱落和破裂的主要区域。Howe根据涡声理论推导了低马赫数流动的气流噪声功率的积分公式，见式（6.10）[144]。

u′——腔内气体波动的质点振速；

V——涡量分布的体积。

从式（6.10）可以看出，当涡结构与波动的质点振速存在合适的相位关系时，则会产生较强的气流噪声功率。从图6.10、图6.11和图6.13可以看出，膨胀腔体的中下游段以及出口管段处正是腔内介质波动最为强烈，涡结构大量脱落破裂的区域。根据式（6.10）可知，膨胀腔体的中下游段以及出口管段处是流噪声源主要产生的区域，而Takashi的测试试验也得到了类似的结论。以上仿真结果的对比分析，充分说明了基于大涡模拟的三维流场时域瞬态仿真准确捕捉到了腔体内部的非稳态流动过程，直观显示了腔体漩涡的产生和分布，预测了气流噪声源的分布情况。