深凹槽和倾斜凹槽的流-声共振

本文采用壁面解析的大涡旋模拟，对深凹槽和倾斜凹槽的流-声共振进行数值研究。一个D/L=2.632的凹槽在M∞=0.2和0.3下施加三个倾斜角（α=30°、60°、90°）。凹槽上游采用前身模拟得到的完全湍流边界层。仿真结果显示，倾斜凹槽和正交凹槽流动之间存在显著差异，尤其是在M∞=0.3时，倾斜凹槽的共振强度比正交凹槽高出20 dB以上，且峰值频率为St=0.276，而正交凹槽的峰值则发生在St=0.849。声学模态分析确认这些频率分别为第一和第二声学本征模态。进一步分析表明，模态选择与流体力学模态的相互作用有关。在正交凹槽中，第二流体模态占优势，其中两个小涡旋横跨凹槽口传播。在倾斜凹槽中，由于剪层中的强坡尔-赫尔姆霍夫不稳定，产生一个大尺度的卷积涡旋。重要的是，该涡旋在生长中花费大部分寿命，而不是迅速向下游传播，导致其每循环的横跨时间更长，这与第一声学本征模态频率相关。此外，气动声学响应分析表明，倾斜凹槽对声学响应的放大效果更好，源-汇消除较弱。这些机制是深凹槽增强气动声响的主要贡献者。最后，提出了声学粒子位移与动量厚度之比可用于预测与所识别特征涡旋动力学相关的深凹槽共振的发生。