锯齿形翅片对喷管流动及噪声特性的影响分析

2011-02-23汤涛谈力成张会生

装备环境工程 2011年3期

汤涛，谈力成，张会生

（上海交通大学，上海 200240）

气流的起伏运动会产生空气动力性噪声。喷注噪声是其中最常见的一种，如工业管道的排放气、飞机喷气等，它是噪声污染的重要祸源。研究喷注噪声并寻求改善途径具有重要的现实意义。

一直以来，对喷注噪声的研究方法以实验手段为主，马大猷等人利用实验与理论结合的方法，对喷注噪声进行过深入的研究，掌握了大量的实验规律，并且建立了相对完整的实验理论[1]。随着计算流体力学技术及计算机技术的发展，数值模拟结合试验手段已成为气动噪声研究的主要方法，并且数值模拟在预测及分析噪声方面有很迅速的发展[4]。

笔者以发动机排气系统为对象建立了2种喷管模型，用以分析锯齿形翅片对喷注流场和噪声特性的影响。

1 喷管排气噪声分析

气流自喷口以一定速度喷射出来，离开喷口会产生卷吸作用，吸入周围空气与主流掺混，该过程产生的噪声称之为喷射噪声。理想情况下亚声速喷流结构如图1 所示：喷口至5D（D 为喷管出口直径）处是强烈的混合区，在此混合强烈，湍流强度高；射流核心结束处至10D处为过渡区，该区流动复杂；在射流10D 后区域，则为完全掺混区。研究表明噪声大部分来自混合区[5]。

图1 亚声速喷流结构示意Fig.1 Schematic of subsonic jet

Lighthill从流动基本方程出发，根据湍流射流特性，推导出气流中的湍动是声的发射源，并通过理论计算得到著名的速度8次方定律：

式中：PT是喷流的总辐射声功率；ρ是喷流气体密度；ρ0是环境密度；D是喷管出口直径；C0是环境声速；v是气流出口速度。

式（1）是针对亚声速喷流的，表明排气喷管的辐射声功率与喷流的结构和喷流的速度（v）有关，这为降低喷注噪声提供了理论基础。

降低喷注噪声主要是通过降低喷流速度或改变喷流结构来实现。通过改变喷流结构来降噪的方法大致有如下几种：旁通气流偏心与导流片使次流偏斜、锯齿形出口（chervon nozzle)、微射流掺混等方式。这些都是从声源上来降低或控制噪声。

2 排气喷管流场特性及噪声预测

2.1 排气喷管模型建立

笔者设计了2 种不同结构的喷管（如图2 所示）来分析锯齿形出口对喷管流场特性和噪声特性的影响。为排除喷流速度的因素，采取“出口面积相同”的原则来确定喷管尺寸，即2 种喷管除了喷口形状不同，其余结构参数都相同，分别命名为：Pipe.0（圆柱锥形出口），Pipe.2（锯齿形出口）。

图2 喷管结构Fig.2 Schematic of jet pipes

如图3所示建立射流的几何模型。整个射流区域自喷口出口处起，射流方向长度为20D，轴向方向为4D。因为模型具有部分对称型，为节约计算机资源，在保证计算精度的情况下，文中的模拟没有进行全尺寸建模，而是建立了1/6的模型。另外，根据喷射噪声的发声特点，建立图4所示的梯形区域，以利于噪声预测时噪声源的选取[6]。

图3 仿真计算模型Fig.3 Simulation model of jet pipes

图4 边界条件的定义Fig.4 Definition of bundary cnditions

2.2 流场分析

边界条件：入口速度为22 m/s；射流区域边界条件为压力边界，其值为大气压力。

湍流模型：大多数的喷注流动都是湍流情形[7]。针对湍流流动的特点，在现有的计算条件下，采用了Realizable k-ε模型，能够达到计算的精确度。

对于喷注流场，给出了喷管流动模型中截面上的速度场及湍流强度场，来分析不同结构喷管的流动特性。

2.2.1 速度场

图5和图6分别给出了锥形喷管和锯齿形翅片喷管射流场的中截面速度分布。从图5，6来看，2种喷管流场都具有如下特点：1）射流混合区的内边界相交形成一个核心区，这个核心区内速度不变；2）沿着射流方向，射流引入伴随流进行掺混，使得混合区厚度逐渐增大；3）射流混合区后，轴向速度连续下降。

图6 Pipe.2中截面速度分布Fig.6 Velocity distribution at x=0 cross section of pipe.2

相比之下，锯齿形翅片使得射流情况发生了改变：1）pipe.2的射流核心长度较pipe.0短一些；2）Pipe.2较pipe.0混合段的速度下降较快。这是锯齿形翅片引入的扰流作用，使得主流卷吸了更多的空气掺混。

2.2.2 湍流强度场

图7 和图8 分别给出了2 种喷管喷射流场的中截面湍流强度分布，可以看出pipe.2较pipe.0在喷管出口、混合段的湍流强度有所降低。这是锯齿形翅片伸入到喷注流体中，引入了涡流改变喷流的掺混的结果。这表明喷管出口处加装锯齿形翅片后会引入流向涡，会改变喷流的流动特性。具体有以下表现：1）改变了射流核心长度；2）增加了卷吸的环绕空气量，改变了主气流和卷吸气流的掺混过程。

图7 Pipe.0中截面湍流强度分布Fig. 7 Turbulent intensity distribution at x=0 cross section of pipe.0

图8 Pipe.2中截面湍流强度分布Fig. 8 Turbulent intensity distribution at x=0 cross section of pipe.2

2.3 噪声预测

声学理论表明媒质中质点受到声波作用时，会不断地产生压力强弱变化。声压是媒介中压力超过静压的值，一般指有效声压，一定时间间隔内瞬时声压的均方根值见式（2）。数值模拟可以得到指定位置的声压信息，为喷注噪声预测提供了可能。

式中：p（t）为瞬时声压，N/m2。

喷流时2 股流体在喷口处形成的间断面不稳定，会出现漩涡，并且2股流体之间发生动量、质量、能量的交换，因而会发出很大的噪声。研究表明喷气噪声与气流的结构有关[7]，而出口处锯齿状翅片的引入，使得喷流的流动情况改变了，因此会导致喷注噪声的变化。

FLUENT 中喷注噪声预测的关键在于找到声源。依据喷流噪声的特点，声源选取如下区域（如图4 所示）：起始于喷口处，直径为3 倍出口直径，直线段为12 倍出口直径，末端直径为6 倍出口直径的一个渐扩区域。为了得到喷管的近场声压级信息，需要布置相应的声压力接收点，如图9 所示呈阵列布置：这些点自喷口出口面起，沿着轴向和径向方向布置，并保证位于喷口的压力边界之外[8]。