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湍流噪声的数值模拟：大涡模拟与Lighthill比拟理论混合法
摘要：
湍流噪声的数值模拟在现代工业领域中有着非常重要的应用价值。本文主要从大涡模拟和Lighthill比拟理论混合法两个方面探究湍流噪声数值模拟的研究进展。首先介绍了湍流流场和湍流噪声的相关知识，接着详细阐述了大涡模拟和Lighthill比拟理论混合法两种方法的基本原理及其特点，并对两种方法在模拟实际湍流噪声中的应用进行归纳总结。最后，结合当前研究现状和未来的发展趋势，探讨了湍流噪声数值模拟在工程应用中的前景和发展方向。
关键词：湍流、湍流噪声、大涡模拟、Lighthill比拟理论混合法、数值模拟
一、引言
随着现代工业的飞速发展，各种机械设备的使用频率越来越高，而机械运行产生的噪声对人们的生活和工作产生了严重的影响。因此，探究如何减小机械设备噪声，提高其工作效率和可靠性，已成为当前工程领域中的重要研究方向。湍流噪声作为机械工程领域的重要研究课题，其研究不仅有助于改善工作环境和提高工作效率，同时也为相关行业的科学研究提供了有力的支持。
湍流噪声的产生机理是复杂的，目前主要有实验研究和数值模拟两种方法用于研究湍流噪声产生机理。本文主要从数值模拟方面，介绍湍流噪声数值模拟中的两个主要方法：大涡模拟和Lighthill比拟理论混合法，并分析两种方法的优缺点、适用范围和研究进展。
二、湍流流场和湍流噪声
湍流流场是指在一定条件下流体流动形式的混沌变化，在机械工程、航天等领域中广泛存在。湍流噪声是由流体在动态流动过程中产生的声波所引起的，主要分为两种类型：空气动力声和流体力学声。空气动力声主要是由于空气在机械设备或飞行器运行过程中，穿过管道、通道和梯形等不规则结构使空气流动而引起的声音，其主要的产生机理是飞行器机身对空气流动的扰动。流体力学声是由于流体在运动过程中释放出的能量所引起的声波，主要的产生机理是由于湍流能量的宏观运动和尺度相互作用过程。
三、大涡模拟
大涡模拟（LES）是目前比较常用的一种湍流模拟方法，是以湍流尺度的大小为基础，通过精确地模拟大尺度的涡旋结构，由此计算湍流作用下达到小尺度，从而得到较为准确的流体运动状态。LES方法的核心在于模拟足够大的湍流结构，同时对于较小的涡旋采用适当的方法进行模拟，如蒙特卡罗方法、网格法等。虽然LES精度较高，但其计算量相对较大，不适用于一些实践性较强的工程问题。
四、Lighthill比拟理论混合法
Lighthill比拟理论混合法（LBT）是由Lighthill发明的，主要是通过Lighthill比拟理论，将流体运动状态合成为湍流噪声，采用混合法实现数值模拟。LBT方法同时考虑了大尺度涡旋的作用和小尺度涡旋的影响，具有较高的计算精度和较低的计算成本。但是其缺点是不适用于流体处于低速流条件下产生的噪声。
五、方法比较与应用前景分析
大涡模拟和Lighthill比拟理论混合法在湍流噪声数值模拟中均已取得了一定的成果，但两种方法的应用范围不同，具体选择要根据实际问题是否需要考虑小尺度涡旋的影响和相应的复杂流动场。在工程应用方面，大涡模拟可以为原型的气动声计算提供较为准确的预测结果，适用于预测航空、汽车等行业的噪声和气动声专业问题。Lighthill比拟理论混合法可以较好的模拟飞行器气动声和发动机机身噪声等大尺度涡旋引起的湍流噪声。因此，在日常工程问答中应结合题目的实际要求，选择合适的方法进行数值模拟。
六、结论
本文从湍流流场和湍流噪声的相关知识出发，介绍了湍流噪声数值模拟中的两种主要方法：大涡模拟和Lighthill比拟理论混合法，并分析两种方法的原理、特点和应用范围。现阶段湍流噪声的数值模拟方法虽有所增加，但仍存在着不够精确、计算成本过高等问题。因此，在未来的研究中，需对模拟算法进行进一步研究和优化，提高计算精度和降低计算成本，为机械设备等工程技术提供更好的支持。