基于实验的跨声速风洞试验段噪声机理研究

吕金磊，盛美萍，廖达雄，王海锋

（1.西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072；2.中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点试验室，四川 绵阳 621000）

基于实验的跨声速风洞试验段噪声机理研究

吕金磊1，2，盛美萍1，廖达雄2，王海锋2

（1.西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072；2.中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点试验室，四川 绵阳 621000）

风洞试验段噪声（压力脉动）是评价风洞流场的重要指标之一，过强的噪声不但大大降低采集数据的精度和准度，同时会激起模型以及风洞部件的抖振响应，对材料造成严重的疲劳损伤，这一问题在跨声速风洞中犹为突出。本文从试验段噪声的成因展开论述，包括一般风洞中的共性问题和跨声速风洞中的个性问题；进而结合风洞实验对不同的试验段壁板型式、模型支架等的发声规律进行了探讨，并分析了各组分对风洞试验段总噪声水平的贡献。

风洞；噪声；压力脉动；流场；跨声速

0 引 言

压力脉动指湍流中一点处流动压强（静压）随时间作随机变化的现象。单从概念上说，压力脉动也即流动的噪声，它是随着流体媒质的流动而产生和传播的。很多早期研究［1-2］都没有将二者区分开来，二者的最大不同之处在于：压力脉动相对于普通噪声有着更高的强度，在时域和频域内的变化都更加剧烈。图1是国内某风洞试验段采集的一条噪声曲线，在马赫数0.83时，几乎在整个可听域内，声压级都超过了140d B。

图1 风洞试验段噪声频谱图（Ma=0.83）Fig.1 Spectrogram of noise in wind tunnel（Ma=0.83）

压力脉动是风洞流场对模型施加的气动力的一部分，另一部分为平均压力。结构响应主要取决于压力脉动，而模型的整体气动力特性则是平均压力和压力脉动共同作用的结果，因此在风洞中气流噪声更多地被作为进行结构响应分析和力学环境研究的依据。这样一类气动噪声不仅能激起有害的抖振响应，极大地缩短材料的疲劳寿命，而且可能造成结构件的破坏。另外，高噪声使得精确采集信号所需要的平均时间加长，影响测量结果，特别是对非定常试验、边界层转捩试验等。进一步提高试验精度、扩大试验范围，都对压力脉动的系统研究提出了迫切的要求。

在20世纪六、七十年代，世界各国对气流噪声的研究达到了鼎盛时期，产生了很多经典理论，D.G.Mabey［1］和M.V.Lowson［2］分别依据各自的试验现象提出了气流噪声的预测公式，并被后来的相关研究工作者 广 泛 引用；国 内起 步 较晚，恽 起麟［3］，凌 其杨［4］，谷 嘉锦［5］，范洁 川［6］等 人 开 始研 究 这类 气 动噪声问题是在20世纪八、九十年代，随后的几十年里科研院所所取得的成果很少，并且所作的工作也主要是实验验证。

1 风洞压力脉动的产生机理

气流噪声产生的一个主要原因是边界层的扰动，风洞可以通过安装消声装置降低管道内部的噪声，但是对于风洞试验段内部产生的这部分噪声却很难消除。在这里不存在流体本身的不稳定问题，实际上即使是稳态的流动，这种噪声依然存在。对于可压缩流，由包含密度的伯努利方程（（1）式）可知：通道截面发生变化时，变化截面两端的压力亦发生变化［7］，这种压力变化的直接影响就是导致壁面脱落涡的产生，从而形成了噪声。有一种比较公认的观点：压力起伏的有效值与自由流动压成正比［8］。对于高亚声速或跨声速这类动压较高的流动，所辐射的噪声也同样是很高的。

与真实飞行相比，风洞试验不可避免的受到壁板的影响，低速风洞的开口试验段可以大幅度地减弱壁板效应，但是，在跨超声速风洞中，由于能量消耗巨大而无法采用开口试验段，这一问题变得犹为突出。另外，风洞的堵塞现象、亚声速洞壁干扰、激波反射等问题在跨声速风洞中普遍存在，对于这些问题，常规的风洞试验段壁板均无法解决。经过多年的实验探索，人们发现用开孔或开槽壁板，并对孔（槽）的参数加以优化，上面的问题便会迎刃而解。但是，这同时会带来另一个问题，使用开孔、槽壁，会引入很强的压力脉动噪声。由于壁板的特殊性，跨声速试验段的噪声增加了其他形式。首先，通气壁自身的噪声以及通气壁放大了的边界层内的压力扰动；其次，气流经过孔（槽）壁后，排入驻室时的射流噪声（冲击和湍流噪声）。

按照产生位置来区分，影响到风洞试验段的噪声主要来 自于［9］：

（1）洞壁边界层的扰动；

（2）气流流入、流出壁板上的槽（孔）时产生的噪声；

（3）模型支架的影响；

（4）驻室回流；

（5）来流噪声。

其中洞壁边界层的扰动在使用不同的壁板时，辐射的噪声强度和频谱又有着很大的差别。驻室回流对于试验段气流的扰动也是非常明显的，对这部分内容的研究需要借助更为复杂的实验设备，本文实验中未涉及这方面的内容，为消除其影响，实验中将回流口（引射缝）封堵。本项研究主要针对（1）、（2）展开。

2 试验段形式对压力脉动的影响

2.1 开孔壁板

在跨声速风洞中，为了解决风洞的堵塞问题，产生均匀的低超声速流动，减少或消除亚声速洞壁干扰以及激波反射的影响，选用特种试验段壁板成了风洞建设单位的最终选择。纵观国内外跨、超声速风洞，这种试验段壁板共有两类：开孔壁和开槽壁。

AEDC 16T，ARA 8ft×9ft，RAE 3ft×3ft等风洞采用了开孔壁试验段。从1947年第一座跨声速风洞运行开始，穿孔壁经历了由“直孔-斜孔-变开闭比”的研究历程，到今天60°被确定为设计的主流形式，其主要原因就是这种型式的壁板具有良好的消波性能，较容易建立起稳定且连续的试验段流场。图2是在风洞无支架，引射缝全开，二喉道不节流，稳定段、喷管道等参数都完全相同的前提下，实壁与孔壁试验段的对比吹风实验曲线，其中，孔壁采用60°斜孔，开孔率6%，沿气流方向均布。二者最大相差16d B（马赫数为0.7情况下），同时，从曲线可以看出，孔壁噪声在马赫数为0.7附近共振特征明显。

图2 孔壁与实壁试验段噪声比较Fig.2 Contrast curve of test section noise between perforated and solid wall

如此强烈噪声的一个重要源头就是孔壁引起的边棱音——由于孔尖锐后缘的存在，而释放出的加强涡系，如图3所示。

图3 边棱音模型Fig.3 Edge tone model

当孔的自然频率与试验段的自然频率一致时，就出现共振，在各个孔处产生边棱音。60°斜孔的共振频率 满 足下 面 关系［4，10］：

式中，f为斜孔的各阶共振频率，Hz；U 为自由流的速度，m／s；Ma为自由流马赫数；l为斜孔在顺气流方向的宽度，m。

图4对比了不同马赫数下，采用实壁和开孔壁的试验段的频谱图，在马赫数0.4、0.6、0.8孔壁频谱中都出现了共振峰值，由于缺少对应的线谱数据，计算结果与实验测得的数据有一定的差异（表1），但是，从表中依然可以看出，边棱音确实存在，以及它对测量结果有着很大的影响。

表1 计算结果与实验结果对比Table 1 Comparison of calculated and experimental results

图4 开孔壁试验段噪声辐射特性曲线Fig.4 Perforated test section noise radiation characteristic curve

2.2 开槽壁板

试验段采用开槽壁板很好地规避了孔壁引入的边棱音影响，同时在结构上也更容易实现，随着对风洞试验采集数据质量要求的提升，风洞尺寸变得越来越大，加工难度也成为了设计风洞过程中必须考虑的问题。NLR HST 1.6（1.8）m×2m，ARC 11ft× 11ft，ETW 2m×2.4m 等风洞试验段采用这种开槽壁板。ETW 风洞是目前已经建成的噪声最低的风洞之一，且该风洞的其他各项气动指标也都居于世界先进水平。图5是本次实验中用到的一组试验段壁板，槽口宽度5mm，开闭比10%。

图5 开槽壁板Fig.5 Slotted test section wall

这种型式壁板辐射的噪声，除了边界层的压力波动以外，主要还表现为：进入试验段的气体在试验段扩张作用下形成的喷注噪声以及试验段与驻室流体交互过程中形成的喷注噪声。边界层内的压力脉动大小主要根据 Lowson的定义式［2］确定

式中，q为自由流的动压。多年来相关研究一直将这一关系式作为确定边界层压力脉动的下限的标准。风洞建设过程中则努力将设计指标靠近这一标准。

而喷注湍流噪声则可以通过lighthill的经典理论八次方定律获得。

式中，Kv为喷注常数，取值大约为（0.3～1.8）× 10-4；ρ为当地媒质密度；v 为当地气流速度；D 为喷口特征尺寸，这里取试验段宽度尺寸：0.3m。

图6对比了实验曲线与两条理论曲线，其中喷注的理论曲线中，Kv取最大值（1.8×10-4），从图中可以看出喷注噪声与边界层内部压力波动产生的噪声相比有着巨大的差距，换言之，这部分噪声被完全掩盖了。而实壁、槽壁的测量结果一致性较好，而且二者都与Lowson曲线有着相同的趋势，数值相差也不大。

图6 槽壁试验段噪声辐射特性曲线Fig.6 Slotted test section noise radiation characteristic curve

由于驻室内形成的“马赫数-噪声”曲线非常不稳定，而且开槽与喷口之间的等效关系也较难确定，无法简单地找出噪声的产生规律。D.G.Mabey曾经针对风洞试验段槽壁做过一系列实验［1］以验证开槽的气动尺寸，我们可以从他的实验中得到一些启示：他的研究表明通过在开槽壁板的背面加网、孔板，以及“V”字槽型，可以大幅度降低喷注噪声强度。

2.3 模型支架

模型支架（图7）是风洞试验段内部一个比较稳定的噪声源，流体流经支架表面，产生偶极子噪声。从有、无支架的对比曲线（图8）可以看出，支架对试验段噪声有着较为稳定的输出。对于典型的偶极子声源，有如下关系成立：

式中，Wd为辐射声功率；D为支架特征尺寸。

图7 模型支架Fig.7 Model stand

图8 模型支架影响曲线Fig.8 Curve of noise affect from model stand

在风洞中，工作介质不再满足“不可压缩，等熵，无粘”的理想流体特征，上式结果受到流体当地密度、温度等多个因素的影响，实际情况较为复杂，这里仅对实验结果曲线进行拟合，图9，得到不同风速下的支架作用影响公式：

图9 模型支架噪声拟合曲线Fig.9 Fitting curve of noise affect from model stand

3 结 论

跨声速流动的噪声问题研究对于高质量的风洞试验数据采集有着极为重要的意义，模拟流动的风洞设备为这项研究的开展提供了有力的硬件平台。通过该项研究，我们得到如下结论：

（1）开槽通气壁比开孔壁有着更稳定的声学性能。在使用开孔壁的风洞中，边棱音的存在，极大地影响着风洞试验段的背景噪声水平；而开槽壁板只在个别风速下产生较高的噪声，并且对试验段噪声的影响很小。

（2）风洞压力脉动的数值可以定性地预测。例如边棱音的发生频率，边界层扰动的大小，模型支架的影响程度等，经过实验数据的修正，可以在更大的范围内使用。

（3）现阶段，国内大多数跨声速风洞的背景噪声远高于根据经典理论计算得到的结果，非边界层噪声占主要成分，将风洞试验段的噪声降低到边界层本底噪声的水平仍是现阶段跨声速风洞设计和改造的奋斗目标。

［1］ MABEY D G.Flow unsteadiness and model vibration in wind tunnels at subsonic and transonic speeds［R］.C.P.No.1155.1970.

［2］ LOWSON M V.Prediction of boundary layer pressure fluctuations［R］.AFFDL-TR-67-167.1967.

［3］ YUN Q L.The research for reducing 0.6×0.6m2subsonic wind tunnel aeroacoustics［J］.ACTA Aerodynamica Sinica，1985，2：51-60.（in Chinese）恽起麟.降低0.6×0.6m2跨声速风洞气流噪声的研究［J］.空气动力学学报，1985，2：51-60.

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［5］ GU J J.Transonic wind tunnel acoustical experiment of low noise wall models for test section［J］.ACTA Aerodynamica Sinica，2001，19（1）：62-65.（in Chinese）谷嘉锦.跨声速风洞试验段低噪声壁板模型的声学试验［J］.空气动力学学报，2001，19（1）：62-65.

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［8］ MA D Y，SHEN H.Handbook of acoustics［M］.China Social Sciences Publishing House.1983.（in Chinese）马大猷，沈壕.声学手册［M］.科学出版社.1983.

［9］ WU R L，WANG Z Y.Wind tunnel design principle［M］.Beijing Aeronautical Institute press.1985.（in Chinese）伍荣林，王振羽.风洞设计原理［M］.北京航空学院出版社，1985.

［10］DOUGHERTY N S，et al.An experimental investigation of techniques to suppress edgetones from perforated wind tunnel walls［R］.ADEG-TR-75-73，1975.

Investigation about transonic wind tunnel test section noise mechanism based on experimental

LÜJinlei1，2，SHENG Meiping1，LIAO Daxiong2，WANG Haifeng2

（1.College of Marine，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；2.State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and development Center，Mianyang 621000，China）

The wind tunnel test section noise（pressure fluctuation）is one of the important indexes to evaluate the wind tunnel flow field，excessive noise not only significantly reducing the precision and accuracy of the collected data，but also arouses the model as well as wind tunnel parts buffeting response and causes serious fatigue damage to the materials，which is especially outstanding in transonic wind tunnels.This article discussed the causes of noise produced in the test section at first，with the common problems of general wind tunnels and the personalities of transonic wind tunnels included，and then based on wind tunnel tests studied sound laws of different test section wallboard type and model stand，analyzed the contribution for overall noise level from each component.

wind tunnel；noise；pressure fluctuation；flow field；transonic

V211.3

Adoi：10.7638／kqdlxxb-2012.0151

0258-1825（2014）04-0488-05

2012-09-14；

2013-02-27

吕金磊（1980-），男，河南杞县人，工程师，硕士，主要从事噪声与振动控制工程研究.E-mail：36065024＠qq.com

吕金磊，盛美萍，廖达雄，等.基于实验的跨声速风洞试验段噪声机理研究［J］.空气动力学学报，2014，32（4）：488-492.

10.7638／kqdlxxb-2012.0151. LÜJ L，SHENG M P，LIAO D X，et al.Investigation about transonic wind tunnel test section noise mechanism based on experimental［J］.ACTA Aerodynamica Sinica，2014，32（4）：488-492.