基于微观简化模型的多孔层圆柱气动与声学特性的数值研究

多孔材料在钝体绕流的流动控制和噪声抑制中都有很大的作用。在常见的数值模拟研究中,对多孔材料的宏观描述大多采用Darcy-Forchheimer模型。通过实验结果与基于该宏观模型的仿真结果对比,证明了该模型的正确性。但是宏观模型方法无法直观的反映多孔材料内部的流场和受力情况。而对真实多孔结构的微观模型进行直接数值模拟,其网格复杂度和所需计算资源过大。鉴于此,本研究采用了简化的微观多孔模型来模拟多孔材料包裹圆柱的流动情况,在大圆柱外规则分布288个小圆柱作为多孔材料,能够在有限的计算资源下获得多孔介质内部的流场信息和远场声场信息。不同直径外围小圆柱表征了多孔材料的不同孔隙率(0.72,0.82,0.89,0.92)。以大圆柱的直径作为特征长度的雷诺数Re=8.2×10~4,处于湍流状态,本研究的数值模拟采用的是k-ω雷诺平均湍流模型以及Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方法。通过结果可以看出,此种简化的微观多孔模型对于圆柱的流动控制和噪声抑制有显著的作用。声学特性方面,几个不同孔隙率的模型的噪声水平与相同直径的光柱相比降低了约10dB。并且在所测试的孔隙率模型中,孔隙率越大效果越好。同时多孔材料内部的流场现象得到了展现,对多孔材料的微观构型的进一步研究提供了借鉴信息。