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旋涡声散射特性的尺度效应数值研究

马瑞轩 王益民 张树海 武从海 王勋年

马瑞轩, 王益民, 张树海, 武从海, 王勋年. 旋涡声散射特性的尺度效应数值研究[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 104301. doi: 10.7498/aps.70.20202206
引用本文: 马瑞轩, 王益民, 张树海, 武从海, 王勋年. 旋涡声散射特性的尺度效应数值研究[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 104301. doi: 10.7498/aps.70.20202206
Ma Rui-Xuan, Wang Yi-Min, Zhang Shu-Hai, Wu Cong-Hai, Wang Xun-Nian. Numerical investigation of scale effect on acoustic scattering by vortex[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 104301. doi: 10.7498/aps.70.20202206
Citation: Ma Rui-Xuan, Wang Yi-Min, Zhang Shu-Hai, Wu Cong-Hai, Wang Xun-Nian. Numerical investigation of scale effect on acoustic scattering by vortex[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 104301. doi: 10.7498/aps.70.20202206

旋涡声散射特性的尺度效应数值研究

doi: 10.7498/aps.70.20202206
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: maruixuan@cardc.cn

  • 中图分类号: 43.28.+h, 47.35.Rs, 46.40.Cd, 47.11.Bc

Numerical investigation of scale effect on acoustic scattering by vortex

More Information
  • 摘要: 以声波为主要表现形式的膨胀过程和以旋涡为主要表现形式的剪切过程之间的非线性耦合问题一直以来都是流体力学的研究热点. 尤其是旋涡对声波的散射问题, 具有重要的科学意义与工程应用背景. 本文通过线性紧致格式直接数值求解二维欧拉方程, 获得了平面声波穿过均熵Taylor涡的散射特性. 与之前经典文献中的标准算例比较, 结果极其吻合, 直接验证了研究所采用的高精度高分辨率空间差分和时间推进格式以及远场无反射边界条件(缓冲区)的计算方法在时域同时解析动力学量和声学量(量级远远小于动力学量)的有效性. 通过引入散射截面, 将全区域的散射分为长波近似区、共振散射区和几何声学区. 针对每个子区域, 重点分析了无量纲尺度量旋涡强度和长度尺度比对散射声场的影响, 给出了散射声场关于上述两个关键无量纲参数的尺度律关系, 并且得到了极低马赫数极大波长时散射声场的分布函数. 在此基础上给出了关于旋涡声散射物理机制的一种解释.

     

  • 图  计算域示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of computation configuration.

    图  验证算例

    Figure  2.  Comparison with previous studies.

    图  不同长度尺度比下散射截面与旋涡强度的关系(对数坐标系)

    Figure  3.  Scattering cross-section $\varSigma $ potted against ${M_v}$ at different $\lambda /R$ (Logarithmic coordinate system).

    图  不同旋涡强度下散射截面与长度尺度比的关系(对数坐标系)

    Figure  4.  Scattering cross-section $\Sigma $ plotted against $\lambda /R$ at different ${M_v}$ (Logarithmic coordinate system).

    图  旋涡强度和长度尺度比共同对散射截面的影响(对数坐标系)

    Figure  5.  Scattering cross-section as a function of ${M_v}$ and $\lambda /R$ (Logarithmic coordinate system).

    图  t = 280时的散射声压, 其中 ${M_v} \!=\! 0.125$ , $\lambda /R \!=\!10$

    Figure  6.  Snapshot of scattered pressure with ${M_v} = 0.125$ and $\lambda /R = 10$ at t = 280.

    图  长波近似区的散射声压均方根指向性分布

    Figure  7.  Directivity for root-mean-square pressure of the scattered fields in long-wavelength domain.

    图  低马赫数大波长下的散射声压均方根指向性分布

    Figure  8.  Directivity for root-mean-square pressure of the scattered fields with low Mach number and long wavelength.

    图  共振散射区较大波长散射声场指向性分布

    Figure  9.  Directivity for root-mean-square pressure of the scattered fields in resonance domain with relatively long wavelength.

    图  10  t = 140时的散射声压, 其中 ${M_v} \!=\! 0.125$ , $\lambda /R \!=\! 4$

    Figure  10.  Snapshot of scattered pressure with ${M_v} = 0.125$ and $\lambda /R = 4$ at t = 140

    图  11  旋涡强度对共振散射区散射声场指向性的影响

    Figure  11.  Directivity for root-mean-square pressure of the scattered fields in resonance domain at different vortex strength.

    图  12  t = 60时的散射声压, 其中 ${M_v} = 0.125$ , $\lambda /R = 1$

    Figure  12.  Snapshot of scattered pressure with ${M_v} = 0.125$ and $\lambda /R = 1$ at t = 60.

    图  13  旋涡强度对共振散射区小波长散射声场指向性的影响

    Figure  13.  Directivity for root-mean-square pressure of the scattered fields in resonance domain with relatively small wavelength at different vortex strength.

    图  14  散射声压, 其中旋涡强度 ${M_v} = 0.25$  (a) $\lambda /R = 1$ ; (b) $\lambda /R = 0.5$ ; (c) $\lambda /R = 0.25$ ; (d) $\lambda /R = 0.125$

    Figure  14.  Snapshot of scattered pressure with ${M_v} = 0.25$ : (a) $\lambda /R = 1$ ; (b) $\lambda /R = 0.5$ ; (c) $\lambda /R = 0.25$ ; (d) $\lambda /R = 0.125$ .

    图  15  不同旋涡强度对几何声学区散射声场指向性的影响

    Figure  15.  Directivity for root-mean-square pressure of the scattered field in geometrical acoustics domain at different vortex strength.

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-25
  • 修回日期:  2021-03-05
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 发布日期:  2021-05-27

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