用des方法模拟空腔流动及噪声分析

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1、用DES方法模拟空腔流动及噪声分析欧阳绍修刘学强张宝兵（南京航空航天大学航空宇航学院，南京，210016）摘要：空腔流动中包含多种复杂的物理现象，一直是流体力学中的一个重要问题。本文研究了三维非定常雷诺平均N-S方程和DES方法在空腔流动及空腔噪音问题的应用。利用两种方法对三维空腔流动及噪音进行了数值计算并与实验数据进行了对比，通过分析比较发现DES方法得到的结果更加准确，特别是通过声压级分析发现DES方法能够较好地捕捉空腔流动中的压强脉动及噪声水平，说明DES方法能够有效处理空腔流动问题。关键词：空腔流动；非定常N-S方程；DES

2、(DetachedEddySimulation)TheResearchofCavityFlowUsingDESMethodOuyangShaoxiu,LiuXueqiang,ZhangBaobing（collegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronautics,Nanjing,210016,China）Abstract:Cavityflowconcernsmanysophisticatedphenomena,whichisakeyissueinfluiddynamics.S

3、uchresearchescontributetotheunderstandingofcavityflowmechanismsandthedesignofaircraft.Inthispaper,weinvestigatetheapplicationsofURANSandDESinthesimulationofcavityflow.Theresultsofthesemethodsareanalyzedandcomparedwithexperimentdata.ItcanbefoundthatDESmethodgivesbettera

4、ccordancewithexperimentdata,especiallySPLComparisonrepresentsDESmethodcanobtainarelativelyaccuratepressurefluctuationsofcavityflow.Itisconcludedthatforcavityflow,DESmethodissuperiortounsteadyRANS.Keywords:Cavityflow,UnsteadyN-Sequations,DES(DetachedEddySimulation)近年来，空

5、腔流动问题得到人们越来越多的关注[1,2]。空腔外形看似简单，但实际发生的现象却非常复杂。当高速气流流过空腔时，剪切层之间的相互作用以及剪切层与空腔壁面的相互作用会引起一系列复杂的流动现象，包括剪切层不稳定性、边界层分离、旋涡运动、声辐射、激波/膨胀波和激波边界层相互干扰等[3,4]。其理论研究，一直是很有挑战性的问题。另一方面，在工程实际中，空腔流动现象也广泛存在于航空飞行器中，如民航机的起落架舱、飞行器表面的缝隙、新一代战斗机和轰炸机的内埋式武器舱等。特别是对于新一代战斗机，当武器舱开启时，空腔流动产生自持性振荡，表现出强烈的压

6、力、密度脉动，并产生大量噪声，其脉动声压级可高达170分贝，很有可能造成飞机结构的振动和疲劳，损坏舱内电子元件，影响飞行器的安全。因此，空腔流动特性的研究不仅具有理论价值，同时还具有重大的实际意义。对空腔流动的研究分析不仅有助于人们认识这种复杂的流动现象，对飞行器设计等工程实际也有着巨大的指导作用。由于计算机技术的飞速发展和数值计算方法的深入研究，CFD技术已经成为研究各类复杂流动问题的有效手段。对于空腔流动，基于CFD技术的数值模拟方法也得到了广泛应用。如Larcheveque等人[5]利用大涡模拟技术成功模拟了大雷洛数亚音速来流

7、情况下的空腔流动特性。Shia-HuiPeng等人[6]将DES以及混合RANS-LES技术应用于空腔流动分析，得到较好的结果。国内，戚姝妮等人[7]采用自适应笛卡尔网格Euler方程求解方法研究了武器内埋式飞行器空腔流动；史爱明等人[8]计算分析了内埋式弹舱舱门气动载荷；司海青[9]基于全隐式算法分析入口边界条件对空腔振荡的影响以及有物体存在时空腔剪切层振荡特性。可见，CFD方法已经成为空腔流动研究的一项重要途径。为了详细了解CFD方法模拟空腔流动的结果，本文采用三维非定常雷诺平均N-S方程和DES方法模拟了空腔流动，将两种方法得

8、到的结果进行详细的分析比较。1.数值方法对于非定常雷诺平均N-S方程，采用格心格式有限体积法进行离散，对流通量计算采用Osher通量差分裂格式并由线性重构方法得到二阶空间精度。粘性通量离散采用中心方法。湍流模型为S-A一方程模型。时间