壁面涡旋结构与湍流脉动压力的大涡模拟研究

壁面涡旋结构与湍流脉动压力的大涡模拟研究

张晓龙;张楠;吴宝山

【摘要】湍流脉动压力是重要的流噪声声源，对其进行数值计算是流声耦合领域的重要课题，开展相应的研究十分必要。文章采用大涡模拟方法（LES）结合四种亚格子涡模型与四套网格，对槽道壁面湍流脉动压力进行了数值计算，并与试验结果进行了对比分析，验证了数值计算方法的可靠性。首先，介绍了大涡模拟的物理内涵与基本方程，给出了常用亚格子涡模型的表达式，并给出了相应的离散求解数值方法以及边界条件的设置。其次，描述了槽道试验段的几何特征，给出了网格的剖分形式。最后，详细讨论了槽道壁面湍流脉动压力频谱计算值与试验值之间的差异，进行了定量与定性的比较分析，同时分析了涡旋结构与近壁面流速分布，研究了亚格子涡模型与网格数量对计算结果的影响，为今后复杂几何模型壁面湍流脉动压力及其频率-波数谱的计算研究工作奠定了基础。%Turbulent wall pressure fluctuations beneath turbulent boundary layers are important source of flow noise. The computation of wall pressure fluctuations is a hot topic in the field of flow-sound coupling. It is necessary to carry out corresponding research. In this paper, wall pressure fluctuations of a tunnel wall is computed using large eddy simulation (LES) with four different sub-grid scale models and four sets of meshes of different grid number. The results are compared with the experiment of Abraham and discussed in detail. Firstly, some fundamentals of the numerical simulation are presented, including the philosophy of LES, for-mulations of different sub-grid scale models, discretization methods and boundary conditions, etc. Then, the rectangular test section of the tunnel and its computational domain are

depicted. Finally, the computed spec-trum of the wall pressure fluctuations is compared with that of Abraham’s e xperiment and analyzed qualita-tively and quantitatively. The effects of different sub-grid scale models and different grid numbers are also discussed in detail. Groundwork is made

for further research in turbulent wall pressure fluctuations.

【期刊名称】《船舶力学》

【年(卷),期】2014(000)008

【总页数】11页(P871-881)

【关键词】壁面湍流脉动压力;大涡模拟;槽道;亚格子涡模型

【作者】张晓龙;张楠;吴宝山

【作者单位】中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082;中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082

【正文语种】中文

【中图分类】O357.5

1 引言

不论是水中运动的船舶、潜艇，还是在空气中运动的火箭、飞机等飞行器，它们在介质中运动时外表面都会形成边界层。边界层内脉动速度扰动就产生物面上的脉动压力（pressure fluctuations或者wall pressure fluctuations）。由于脉动压力是湍流非定常特性的重要表征，而且是流激噪声的重要来源，所以在流体诱发振动与噪声的许多工程应用问题中脉动压力都备受关注。因此，近年来国内外对壁面湍

流脉动压力开展了大量试验与计算研究。

Abraham和Keith（1998）[1]在消音水洞中，通过在流向等间距布置48个传感器，测得了壁面湍流脉动压力流向的频率—波数谱，其使用的传感器阵列具有较

高的分辨率，从而保证了频率—波数谱“迁移脊”和部分低波数区域的测量准确度。用基于试验测得的参数得到的时空尺度对频率-波数谱进行了无量纲化处理，

比较了不同无量纲处理方式的效果。

Cipolla和Keith（2008）[2]在庞多雷湖（Lake Pend Oreille）中进行圆柱表面

拖曳阵上的湍流脉动压力测试，试验在实尺度模型上进行，速度范围为10-18 kns，并得到了相应的频率—波数谱、自功率谱和迁移速度等。试验结果表明当直拖时，频率-波数谱中有明显的迁移脊；当回转时，流体诱发的振动会主要影响频率-波数谱的低频部分，高频部分则更快地衰减。在分析测试数据时Cipolla和Keith仍然引用Abraham（1998）的试验结果来证实其测试结果的合理性，这也足见Abraham（1998）的测量结果得到业界认可，具有经典价值，对湍流脉动压力测量与频率—波数谱的分析均产生了重要影响。

Manoha（2000）等人[3]采用大涡模拟方法，对厚平板钝后缘的非稳态流场的脉动压力进行了计算，并对尾缘壁面脉动压力进行了分析，其幅值、频率以及流向的演化均与钝后缘翼型的测量结果吻合很好。

Wang Meng（2009）等[4-6]应用LES方法对有拱度薄板机翼低速情况下的脉动压力进行计算，并结合FW-H方程对辐射噪声进行了计算。计算得到机翼表面导

边区域压力场的频谱和展向相关性均与试验吻合较好，但低频域附近较差一些。远场声压谱与试验结果很吻合，其引入的有限弦长修正虽然比较小，但能进一步提高准确度。

Jean-François和Klaus（2009）[7]用DES对后台阶流动的脉动压力进行了计算，计算得到的脉动压力主频率与试验吻合很好，功率谱与经验模型一致。