高亚声速空腔绕流气动噪声特性研究

杨党国,李建强,范召林,罗新福,梁锦敏

(中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室,四川 绵阳 621000)

0 引 言

空腔流动普遍存在于航空航天领域,如物体表面的切口、凹槽、燃烧室、飞机起落架舱及武器舱等。高速气流流过空腔,当满足一定的空气动力学和几何条件时,由于腔外剪切流与腔内流动的相互作用,流动可能出现自激振荡,压力、速度等出现剧烈脉动,并诱发强烈噪声。已有研究表明腔内噪声声压级最高可达170多dB,易引起腔内安装装置和电子设备等的结构振动和疲劳损坏[1]。此外,空腔流动本身涉及了流体力学中许多基本的前沿问题,如非定常流、涡动力学、流体动力不稳定性、自由剪切层内的膨胀波/激波、激波/激波相互干扰,声与流动相互作用和自激振荡诱发噪声等,因此,成为空气动力学研究的一个热点。

20世纪50年代起,国外就有人对空腔流动特性进行了大量研究。80年代以来,以数值模拟求解NS方程来研究空腔流动特性的文章也日趋增加[2]。空腔流动类型主要受其长深比(L/D)的影响,文献[3-4]依据腔内静态压力分布将空腔流动大致分为三种流动类型:闭式流动(L/D＞13)、过渡式流动(10≤L/D≤13)和开式流动(L/D＜10)。在空腔动态特性及流动显示方面也有不少研究工作[5-10]。空腔其他几何参数如宽深比(W/D)、来流马赫数等,对空腔流动类型、静态流动特性和非定常流动特性也有一定影响[11-12]。

国内对空腔气动噪声特性研究起步较晚,多数文献集中在空腔静态流动特性数值模拟方面[13-15],如赖焕新等对空腔噪声问题进行了大涡-声比拟数值研究[16],并进行了空腔噪声控制的数值研究[17],但空腔气动噪声特性试验文献较少。为此,本文开展高亚声速下三种不同流动类型空腔内脉动压力测量试验,完成对腔内声压级分布和不同测点声压频谱特性试验结果分析,着重探讨了空腔气动噪声特性。

1 试验模型与设备

试验空腔模型总长 L为 150mm,宽度W 为55mm,深度D为10mm。脉动压力测点布置在空腔底面中心线上,孔径为 φ 3.2mm,孔间距为10mm,试验模型照片见图1。

试验在中国空气动力研究与发展中心高速所的0.6m×0.6m跨超声速风洞中完成[18]。采用动态压力传感器测量脉动压力信号,型号为 Endevco公司8514-10压阻式传感器,量程为 68kPa,固有频率为200kHz,名义灵敏度为 4.35μ V/Pa。

图1 试验模型照片Fig.1 The model photograph

2 试验条件与参数

通过在空腔后壁处添加不同长度的矩形堵块来改变长深比(L/D),试验空腔模型L/D分别为6、10和15。模型迎角、侧滑角和滚转角均为 0°,来流马赫数M为0.8,基于每米的雷诺数为1.55×107。在空腔前缘的洞壁上贴有一条宽为3mm的粗糙带,以便在空腔前缘获得湍流边界层,采用测压耙测得试验中速度边界层厚度为0.034m。

动态压力数据分析上限截止频率取1×104Hz,频率分辨区间为4.88Hz,样本长度1024个单位区间,取32个样本作总体平均以减小随机误差。为减少因在时域截断信号而在频域产生的渗漏误差,数据处理时加了海宁窗,并修正了加窗对声压频谱密度幅值带来的影响。此外,本次试验中信号调节放大系统选用了0.1Hz高通滤波,对信号进行预处理,去除了信号中的直流成份。

声压级LSP(SPL)反映测点压力脉动的强弱;DSP为应用快速傅里叶变换计算得到的脉动压力功率谱密度函数(PSD),描述脉动压力能量随频率的分布;声压频谱FSP(SPFS)反映接收点脉动压力能量的频域特性。它们的计算公式分别如下:

其中 f为测点压力脉动的频率;Δf为用于分析动态压力频域特性的频率区间;T是数据的采集时间为动态压力的均方根值,是将功率谱密度函数P(f)在测点压力脉动频率分析范围内积分后开方求得;pref为基准声压,对于空气其值为20μ Pa。

3 噪声特性分析

3.1 开式空腔流动

图2给出马赫数0.8时L/D=6的空腔的流场结构(压力等值线与流线图谱)、声压级分布及声压频谱特性。

因开式空腔深度较大,气流在腔前壁处产生分离后,一部分气流向腔内扩张,另一部分在空腔上方形成的剪切层,没有触及腔底面,直接跨过腔中部与腔后壁撞击。当剪切层中的气流与腔后壁相撞后,流动再次分离,部分气流沿腔后壁面向腔底面运动再沿腔底面向腔前壁面运动,在腔内形成连通腔前部低压区和后部高压区的旋涡流动形态,如图2(a)所示。

腔内的声压级在腔前缘处因气流向腔内扩张略微降低,然后单调递增到腔后壁的最大值,如图2(b)所示。剪切层与腔后壁相撞,在腔后缘处产生了强烈的噪声(声压级约为165dB),对于开式空腔来说,腔内流动受上方剪切层扰动较弱,且腔前部的低压区和后部的高压区通过腔内的旋涡相互连通,故后缘处产生的噪声能经腔内部向腔前缘传播,与腔前壁相撞后又激发剪切层向腔后壁流动[5]。当剪切层受激发的频率与噪声反馈的频率满足一定的条件时,便在开式空腔内形成流动自激振荡,并诱发强烈噪声。因此,可从图2(c)看出在500Hz＜f＜5000Hz内出现了多个声压峰值频率;此外因腔内流动受腔上方剪切层扰动较弱,腔前部测点(X/L=0.12)、中部测点(X/L=0.62)和后部测点(X/L=0.95)的声压频谱特性变化趋势基本相似,声压峰值频率基本相同,但声压量值存在一定的差别,相比之下,腔后部测点处的噪声最强烈。

3.2 过渡式空腔流动

图3给出马赫数0.8时L/D=10的空腔的流场结构(压力等值线与流线图谱)、声压级分布及声压频谱特性。

气流流经过渡式空腔,在腔前缘处分离,一部分气流向腔内扩张,另一部分气流在空腔上方形成剪切层。因过渡式空腔深度较小,剪切层在空腔中后部(大约X/L=0.8)撞击腔底面后随即离开,继续流过空腔与腔后壁面碰撞,剪切层中的气流再次分离,一部分气流移出空腔向下游运动,另一部分气流沿腔后壁面向腔底面运动,再向腔前部运动。上述空腔流动形态导致在过渡式空腔前、后部分别形成两个旋涡,如图3(a)所示。

腔内声压级在腔前缘处略微降低,随后在0.1≤X/L≤0.4范围内急剧增大;在空腔中部0.4＜X/L≤0.8范围内因剪切层的作用声压级增加缓慢;在0.8＜X/L≤1.0范围内声压级急剧增大至腔后壁面处的最大值(约为165dB),如图3(b)所示。从图3(c)可看出在高亚声速时,腔内不同测点的声压频谱特性变化趋势基本相似。此外,在相同离散频率下空腔前部测点(X/L=0.12)的声压级最低,中部测点(X/L=0.62)的声压级较前部测点(X/L=0.12)大、较后部测点(X/L=0.95)小;空腔后部测点位置与剪切层与腔后壁相撞区域最近,受到反馈噪声的影响最大,因此在相同离散频率下对应的声压级最高。

图2 开式空腔噪声特性(L/D=6)Fig.2 Noise characteristics of open cavity flow(L/D=6)

亚声速时过渡式空腔前部区域的旋涡和后部区域的旋涡没有被腔上方形成的剪切层与腔底面的撞击完全分开,在近腔底面处仍有连通的可能,故在空腔后缘处产生的噪声沿腔底面仍有反馈到腔前缘的可能,再次激发剪切层向下游运动,再与空腔后壁相撞产生二次噪声,当满足一定条件时,腔内形成流动自激振荡,见图3(a)。因此,从空腔后部测点(X/L=0.95)的声压频谱特性图可看出在 500Hz＜f＜3000Hz范围内有出现声压峰值频率,表明此时腔内存在流动自激振荡,见图3(c)。

图3 过渡式空腔噪声特性(L/D=10)Fig.3 Noise characteristics of transitional cavity flow(L/D=10)

3.3 闭式空腔流动

图4给出马赫数0.8时L/D=15的空腔的流场结构(压力等值线与流线图谱)、声压级分布及声压频谱特性。

闭式空腔深度小,气流在腔前缘处产生分离,一部分气流向腔内扩张,在腔前壁后的区域形成旋涡;另一部分气流在空腔上方形成剪切层,在腔中部(约X/L=0.5)剪切层与腔底面相撞,形成附着底面的流动形态。在腔后壁前剪切层移出空腔,气流再次发生分离,一部分气流移出空腔后向下游继续运动,另一部分气流与腔后壁面撞击,如图4(a)所示。

图4 过渡式空腔噪声特性(L/D=15)Fig.4 Noise characteristics of transitional cavity flow(L/D=15)

在空腔前壁后声压级稍微降低,在0.1≤X/L＜0.4内迅速递增;在0.4≤X/L＜0.8内剪切层沿空腔底面流动,声压级沿流动方向缓慢下降;在0.8≤X/L≤1.0内剪切层与腔后壁撞击诱发强烈噪声,声压级又增加至后壁处最大值,见图4(b)。在空腔中部剪切层附着空腔底面向空腔后部运动,这在一定程度上限制了因剪切层与空腔后壁相撞在腔后缘处产生的噪声向腔前壁的传播,声波反馈回路受到一定阻碍,故腔内几乎没有流动自激振荡发生,三个不同测点都没有出现声压峰值激振频率,如图4(c)所示。此外,剪切层与腔后壁相撞诱发的强烈噪声使腔后部测点(X/L=0.95)在相同离散频率下的声压级高于前部测点(X/L=0.12)和中部测点(X/L=0.62);前部测点(X/L=0.12)离噪声产生区(腔后壁附近)最远,故相同离散频率下声压级较中部测点和后部测点低且衰减快;中部测点(X/L=0.62)位于空腔中部,相同离散频率对应的声压级介于其他两个测点之间,见图4(c)。

4 结 论

通过对M=0.8时三种流动类型空腔气动噪声特性研究,可得出以下结论:

(1)空腔上方形成的剪切层对开式空腔内的流动影响较小;腔内形成的旋涡将空腔前壁后低压区和后壁前高压区连通,导致因剪切层与腔后壁撞击产生的噪声较顺利的从腔后壁处到达腔前壁处,激发剪切层运动,与腔后壁再次碰撞并产生二次噪声,形成声波反馈回路,产生流动自激振荡,诱发强烈噪声。

(2)空腔上方形成的剪切层对过渡式和闭式空腔内流动影响较大;将空腔前部流动区域和后部流动区域分开,在一定程度上干扰了噪声从腔后壁向前壁传播的反馈回路,阻碍了流动自激振荡的形成。

可见,高亚声速时开式空腔内流动自激振荡较过渡式和闭式空腔严重,腔内存在较强烈噪声。因此,开式空腔噪声抑制技术研究将是下一步的工作重点。

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