冯·卡门湍流谱耗散区的建模

来流湍流引起的噪声污染是螺旋桨和风扇等许多应用中的主要问题。前缘噪声模型(如 Amiet 模型)被广泛用于预测这些应用产生的噪声。该噪声预测模型依赖于湍流谱的准确性,而湍流谱通常假设为各向同性湍流的冯·卡门能谱。然而,冯·卡门谱不能准确刻画湍流能量的耗散区,导致高频段远场噪声预测错误。可对谱施加指数修正以刻画耗散区。该修正取决于耗散频率,即能谱从 $k^{-5/3}$ 依赖转变为指数衰减的频率。本研究通过实验考察了近各向同性来流湍流,并确定影响耗散频率的流场特征,从而对该频率及耗散区进行建模。实验在特温特大学气动声学风洞中使用两个被动网格和热线风速仪进行。分析了试验段内的湍流均匀性及流向湍流发展,表明网格生成湍流基本均匀且近各向同性。观察到耗散频率依赖于湍流强度、自由来流速度和湍流长度尺度。提出了计算该频率的表达式以及预测耗散区的公式。所预测的前缘噪声在高频段受耗散区建模影响,在最高频率处声级下降达 17 dB。