中壓氣源亞/跨音速射流噪聲試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)?

雷紅勝 張俊龍 張 軍 趙 昱 盧翔宇

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 綿陽 621000)

0 引言

射流噪聲是一類典型的氣動(dòng)噪聲源，是氣動(dòng)聲學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的研究方向[1]。射流噪聲問題涉及到航空動(dòng)力、汽車排氣、風(fēng)機(jī)、閥門、空調(diào)、管道等諸多生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者在理論、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究以及噪聲控制等方面開展了大量的工作，取得了一定的進(jìn)展[2]，并應(yīng)用于實(shí)際工程中，比如七八十年代關(guān)于噴注噪聲的研究和應(yīng)用[3?7]。其中理論和數(shù)值工作可以為射流噪聲預(yù)測提供指導(dǎo)，但還需要實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來進(jìn)行驗(yàn)證，因此需要建立相應(yīng)的射流系統(tǒng)。這方面國外起步較早，如NASA、GE 公司以及Boeing 公司等，建立了成套的專用設(shè)備[8?10]。而國內(nèi)在部分高校實(shí)驗(yàn)室，如北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)建立了研究型射流試驗(yàn)裝置等，開展了相應(yīng)的研究[11?13]。

隨著射流噪聲試驗(yàn)精準(zhǔn)度需求的增加，射流噪聲試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該建立在具有較為嚴(yán)格的消聲環(huán)境中。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心于2013年建設(shè)了10.8 m×8.4 m×7 m (L×W ×H)聲學(xué)校準(zhǔn)用全消聲室，本底噪聲7 dB(A)，在此基礎(chǔ)上配套射流噪聲試驗(yàn)臺(tái)，研究射流氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及降噪方法，將為發(fā)動(dòng)機(jī)噴管降噪以及部分工業(yè)降噪等提供一定指導(dǎo)。本文著重介紹了試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了介紹。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本試驗(yàn)臺(tái)主要模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)亞音速尾噴流噪聲，其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的最主要噪聲來源之一?？紤]到消聲室為不通風(fēng)駐室，如模擬高溫射流，高溫氣體無法及時(shí)排除，因此本射流噪聲研究裝置只模擬冷噴流情況下的射流噪聲。文獻(xiàn)[14–16]給出了溫度和尺度對(duì)射流噪聲影響的相似參數(shù)。在射流噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和降噪措施評(píng)估中，采用冷射流裝置開展噪聲研究，也是具有較大指導(dǎo)意義的。設(shè)計(jì)目標(biāo)主要考慮以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

流速：本試驗(yàn)臺(tái)主要模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流的壓力比和速度，模擬的速度范圍為100～560 m/s。

噴口尺寸：結(jié)合消聲室尺寸以及遠(yuǎn)場噪聲測量需要，噴口尺寸選為0.05～0.1 m。尺寸太小，Re過低，測得的噪聲歸一化頻譜不符合頻譜的自相似性；尺寸太大，供氣需求過高，遠(yuǎn)場測量亦有一定限制。該試驗(yàn)臺(tái)以0.05 m為典型噴口尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

供氣壓力和流量：該指標(biāo)為試驗(yàn)臺(tái)供氣設(shè)計(jì)的依據(jù)。在流速已定的情況下，根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算可得壓力為7.7 kPa～400 kPa(表壓，下同)。

其中：P?和P分別為測量段測得的總壓和環(huán)境靜壓，單位為Pa；R為氣體常數(shù)，對(duì)于空氣，取值為287.06 J/(kg·K)；k比熱比，對(duì)于空氣取1.4；Ma為馬赫數(shù)。

考慮到管道一定的壓力損失和一定的設(shè)計(jì)冗余，將測量段前的供氣壓力選定為7.7 kPa～500 kPa，同時(shí)以噴口尺寸直徑為0.05 m 為典型尺寸，以400 kPa 測量段為流量計(jì)算最大總壓，根據(jù)式(3)計(jì)算，可得最大氣體質(zhì)量流量為2.3 kg/s?？紤]到一定的冗余，按2.5 kg/s 進(jìn)行閥門設(shè)計(jì)選型。最低質(zhì)量流量根據(jù)公式(4)按100 m/s 初步估算為0.24 kg/s。

其中：Q為質(zhì)量流量，單位為kg/s；A?為噴口面積，單位為m2；T為氣體溫度，以25?C 計(jì)算；ρ為空氣密度，可取為1.225 kg/m3；D為噴口直徑，單位為m；V為氣流速度，單位為m/s。

另外考慮到射流噪聲聲能與速度八次方線性相關(guān)，因此對(duì)供氣壓力的控制精度提出了較高的要求，本項(xiàng)目供氣壓力控制精度定為目標(biāo)壓力的0.5%。

上述供氣指標(biāo)在滿足航發(fā)尾噴噪聲研究的基礎(chǔ)上，亦可為閥門等常規(guī)工業(yè)領(lǐng)域提供降噪研究支撐。

2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

射流供氣系統(tǒng)一般有兩種方案：一是通過鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)供氣的不同需求，但常規(guī)鼓風(fēng)機(jī)壓力達(dá)不到相應(yīng)需求，且流量不夠，要滿足指標(biāo)需求，投入較大；二是通過壓縮機(jī)壓縮空氣，存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣罐中，通過調(diào)節(jié)閥等措施實(shí)現(xiàn)供氣需求。氣動(dòng)中心配套有較大容量的2 MPa中壓儲(chǔ)氣罐，這為穩(wěn)定持續(xù)的射流供氣需求提供了基礎(chǔ)條件。

試驗(yàn)臺(tái)以2 MPa中壓氣源為動(dòng)力，通過適當(dāng)?shù)臍庠垂苈犯脑?，延伸至消聲室建筑附近，通過配套相應(yīng)的壓力控制閥組達(dá)到目標(biāo)壓力，進(jìn)行消音后引入全消聲室，最后通過射流流道從噴口射出。其中供氣壓力控制和流道設(shè)計(jì)為重要環(huán)節(jié)。

2.2 供氣壓力設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

一般調(diào)節(jié)閥存在調(diào)節(jié)死區(qū)，建議工作調(diào)節(jié)區(qū)間在15%～85%之間。本項(xiàng)目供氣壓力在7.3 kPa～500 kPa之間，且供氣流量0.24～2.5 kg/s，相對(duì)而言壓力和流量跨度較大，同一個(gè)調(diào)節(jié)閥很難同時(shí)滿足低壓小流量和高壓大流量的供氣需求，且常規(guī)閥門調(diào)節(jié)精度僅為1%，達(dá)不到使用需求。滿足各種不同壓力和流量要求的壓力精確控制為該項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 供氣系統(tǒng)流程圖Fig.1 Scheme of air supply system

為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，選用愛默生電子壓力控制器和調(diào)壓閥(含指揮器)相結(jié)合的方式，通過兩級(jí)調(diào)壓的方式進(jìn)行壓力的精確控制，流程見圖1。該系統(tǒng)主要包括過濾器、手動(dòng)/電動(dòng)球閥、調(diào)壓閥(含指揮器)、電子壓力控制器、安全閥、緩沖器、各種儀表以及S7-200 Smart PLC 控制系統(tǒng)等組成。第一級(jí)通過FLA 調(diào)壓閥將2 MPa 降到一個(gè)較低的固定壓力，如1 MPa，亦可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。第二級(jí)通過FL-BP調(diào)壓閥在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步減壓，以達(dá)到使用要求。為了滿足7 kPa 和500 kPa 的壓力控制精度，采用兩只指揮器并聯(lián)切換(電磁閥進(jìn)行切換)的方式分別適用低壓和高壓需求。兩者均可本地手動(dòng)調(diào)節(jié)，亦可通過ERTune TM 專用調(diào)試軟件、模擬給定、上位機(jī)RS485 通訊進(jìn)行數(shù)字給定等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了達(dá)到監(jiān)控要求，配置了S7-200 Smart PLC，用于對(duì)供氣系統(tǒng)的電動(dòng)閥門、電磁閥、目標(biāo)壓力以及流道溫度等進(jìn)行監(jiān)控，見圖2。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)Fig.2 PLC control system

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用可用于Micro Win Smart V2.2、S7-200 PC Access Smart V2.0 以及Wincc V7.2 分別用于PLC 源程序、OPC 通訊以及上位機(jī)組態(tài)界面監(jiān)控編輯，分為PLC 控制程序以及界面程序?？刂瞥绦虺嘶镜腎/O 點(diǎn)控制外，核心在于對(duì)ER5000 的輸出控制，通過在射流流道入口處安裝壓力傳感器，用于目標(biāo)壓力反饋。通過S7-200 Smart PLC采集，采用PID閉環(huán)反饋進(jìn)行模擬給定輸出對(duì)第二級(jí)ER5000 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)供氣壓力的精確控制。界面程序包含操作、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示、故障報(bào)警、曲線顯示、數(shù)據(jù)保存等功能，見圖3。另外還有觸摸屏程序，用于現(xiàn)場操控。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.3 Monitor interface in the manager PC

2.2.3 安全聯(lián)鎖

在安全聯(lián)鎖上設(shè)置了軟硬件保護(hù)，如儲(chǔ)氣罐上配置安全閥、設(shè)置壓力閾值，超壓自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)球閥、設(shè)備故障報(bào)警等。

2.3 射流流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)射流流道包含引入段、擴(kuò)散段、蜂窩器、測量段、阻尼網(wǎng)、穩(wěn)定段、收縮段、噴口等，下部為模型支撐結(jié)構(gòu)架，同時(shí)在供氣控制部分末端和引入段之間配套消音器。見圖4～圖6。這里對(duì)部分主要環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。

引入段為波紋管結(jié)構(gòu)，以方便設(shè)備的連接和過渡。蜂窩器截面為正六角形，孔眼長徑比15。測量段布置了測壓靶和測溫靶，分別測量流道內(nèi)的總壓和總溫，測溫耙上布置3 根溫度探頭，管外徑2 mm，內(nèi)置PT100 溫度傳感器，測量溫度范圍：?50?C～150?C，該參數(shù)的測量將為流場性能和射流速度控制率測量提供重要數(shù)據(jù)支撐。阻尼網(wǎng)為不銹鋼網(wǎng)，阻尼網(wǎng)層數(shù)1～4 層可調(diào)，其中前兩層為規(guī)格24 目不銹鋼網(wǎng)，開孔率為66%，后兩層為40 目不銹鋼網(wǎng)，開孔率65%。

圖4 射流流道示意圖Fig.4 Sketch of jet-flow channel

圖5 管道消聲器示意圖Fig.5 Sketch of pipeline muffler

圖6 射流流道部分結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure design of partial jet-flow channel

射流模擬裝置中，射流噴口直徑和收縮比的選取是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。本試驗(yàn)臺(tái)射流噴口外形和直徑均可調(diào)整，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要選取合適的收縮段和噴口，這里按照設(shè)計(jì)指標(biāo)選為圓形噴口，直徑取為0.05 m。收縮段收縮比取為16，收縮段曲線選用移軸維氏曲線，這種收縮段在入口部分收縮較快，在出口部分收縮較慢，而且其軸向速度分布不會(huì)出現(xiàn)“反跳”，出口速度較為均勻。

為了降低干擾噪聲的影響，有三方面考慮：一是采用雙級(jí)調(diào)壓，降低壓差的同時(shí)，開度可在更合理的范圍內(nèi)控制，另外采用較大管徑(DN150)，降低流速，從而降低流體動(dòng)力學(xué)噪聲；二是試驗(yàn)臺(tái)的外露部分均采用消聲海綿包裹；三是設(shè)計(jì)安裝消音器。文獻(xiàn)[17]指出Non-Line-of-Sight形式的消聲器比傳統(tǒng)消聲器效果更好。本試驗(yàn)臺(tái)在采用此種結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增大流道通徑和長度，以進(jìn)一步增加吸音效果。消音器總長1.6 m，外徑0.65 m，內(nèi)部氣流流道通徑為0.4 m，周圍覆蓋0.1 m 厚的吸聲層。吸聲層內(nèi)部為玻璃纖維吸聲材料，吸聲材料與氣流通道之間為穿孔板結(jié)構(gòu)并有保護(hù)層，以防止材料外泄。

3 調(diào)試測量及試驗(yàn)結(jié)果

主要開展了以供氣壓力控制調(diào)試、測量段總壓畸變系數(shù)、射流速度控制率為主的射流流場性能測量以及射流遠(yuǎn)場噪聲測量試驗(yàn)。

3.1 射流流場性能測量

圖7 給出了7.7 kPa～500 kPa 的壓力控制曲線，其中在330 kPa時(shí)有一個(gè)躍變，需要在一級(jí)調(diào)壓閥適當(dāng)增加機(jī)械彈簧預(yù)緊力，增大流量，再配合二級(jí)指揮器的切換，實(shí)現(xiàn)高壓大流量的順利調(diào)節(jié)。由表1可以看到總體精度達(dá)到甚至優(yōu)于0.5%的指標(biāo)要求。

圖7 壓力控制曲線(7.7 kPa～500 kPa)Fig.7 Carve of pressure control(7.7 kPa～500 kPa)

表1 不同壓力下控制精度(噴口直徑0.05 m)Table 1 Control precision of different pressure (spout diameter:0.05 m)

表2 給出了不同流速下的射流控制率數(shù)據(jù)?？梢钥吹綄?duì)于設(shè)計(jì)目標(biāo)的5 cm噴口，整個(gè)流道模擬裝置的壓力損失均較小，壓力損失系數(shù)小于均2.6%，越小的壓力損失系數(shù)意味著更少的能量轉(zhuǎn)化為熱能和聲能，流場內(nèi)部噪聲也就越小。

表2 不同流速下0.05 m 直徑噴口射流參數(shù)Table 2 The ?0.05 m spout jet parameters with different velocity

圖8 給出了測量段剖面壓力分布，其中縱坐標(biāo)(顏色標(biāo)尺)表示總壓畸變系數(shù)([(Pmax?Pmin)/Pav])百分比。由結(jié)果可知，該射流模擬裝置的總壓畸變較小，在10 kPa 供氣壓力的條件下，總壓畸變系數(shù)值小于0.44%，而且隨著壓力的增加，總壓畸變進(jìn)一步減小，在110 kPa的供氣壓力下，總壓畸變系數(shù)約為0.21%，滿足試驗(yàn)所需。

由于該項(xiàng)目暫未配備200 kPa以上的壓力測量系統(tǒng)，未開展200 kPa以上的流場性能考核，下一步將進(jìn)行完善。

圖8 10 kPa 和110 kPa 剖面壓力分布Fig.8 Pressure distributions of 10 kPa and 110 kPa span sections

3.2 射流噪聲性能測量

射流噪聲遠(yuǎn)場測量采用遠(yuǎn)場傳聲器圓形布置，以噴口中心為原點(diǎn)，傳聲器距離噴口中心3.6 m，對(duì)于0.05 m 直徑噴口，測量距離與噴口直徑距離之比為72，滿足射流噪聲測量的遠(yuǎn)場需求[18]。傳聲器測量的指向角范圍為30?～120?，間隔10?。傳聲器為GRAS 公司的6.35 mm 自由場傳聲器46BE，數(shù)據(jù)采集端為基于BBM 公司PAK 的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采樣頻率204.8 kHz，采樣時(shí)間20 s。數(shù)據(jù)頻譜分析采用Welch 求功率譜的方法進(jìn)行，多塊進(jìn)行平均，數(shù)據(jù)塊長度為16384個(gè)數(shù)據(jù)/塊，窄帶信號(hào)分析頻率間隔為12.5 Hz。

文中通過兩種方式對(duì)試驗(yàn)臺(tái)聲學(xué)測量結(jié)果進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)的測量方式和聲學(xué)性能。

表3 給出了不同馬赫數(shù)的聲壓級(jí)測量結(jié)果，同時(shí)參考馬大猷等[3?4]、仇穎等[5]的研究，與理論計(jì)算進(jìn)行了比較。其噴注(射流)噪聲湍流噪聲聲功率的經(jīng)驗(yàn)公式為

與噴注成90?方向，離噴口1 m 處的聲壓級(jí)為

離噴口不同距離的聲壓級(jí)換算公式為

其中，kp為常數(shù)；P1、P0分別為氣室壓力、環(huán)境氣壓，單位為Pa；D為噴口直徑，單位為mm；R1、R2為測量點(diǎn)距噴口的距離。

由表3 可以看出，實(shí)際測量與理論計(jì)算一致性較好，偏差低于0.32 dB，表明測量方式和測量結(jié)果可信，同時(shí)亦對(duì)理論公式進(jìn)行了進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

表3 不同馬赫數(shù)下的聲壓級(jí)測量值與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 3 SPL comparison between measured and theoretical calculated values with different velocity

圖9 給出了本期試驗(yàn)獲得的不同Ma數(shù)下，射流指向角90?位置測得的射流噪聲頻譜與國際上一些主流的噴流噪聲試驗(yàn)臺(tái)結(jié)果的對(duì)比[19?20]。該噪聲結(jié)果經(jīng)過了傳聲器頻率響應(yīng)修正，空氣吸聲修正[21]，縱坐標(biāo)為歸一化功率譜，橫坐標(biāo)為射流噪聲的St數(shù)，二者表達(dá)公式如下：

其中：P′為聲壓功率譜均方根值；?f為頻帶寬度；ρj、uj表示噴口處的密度、速度；D為噴口直徑；R為測量點(diǎn)與噴口的距離。

圖9 本試驗(yàn)臺(tái)射流噪聲與國際主流射流噪聲模擬裝置結(jié)果對(duì)比Fig.9 The result comparison between present and the main international test equipment for jet-flow noise simulation

由圖9 可以看出，早期得到的射流噪聲數(shù)據(jù)(Z&Y’85 和Dome)受條件所限，測得的噪聲普遍存在較強(qiáng)干擾噪聲導(dǎo)致測得的值偏大問題，Boeing、UCI、Nasa 的結(jié)果為較嚴(yán)格的吸聲環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)射流噪聲試驗(yàn)值，其值干擾小、更加精確。對(duì)比可知，本射流模擬裝置得到射流噪聲信號(hào)與國際主流結(jié)果一致性很好，對(duì)干擾噪聲的控制與國際試驗(yàn)臺(tái)水平相當(dāng)，表明本射流模擬裝置能得到純凈的射流噪聲信號(hào)，測量及修正方法真實(shí)可信。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了射流噪聲試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)分析，在此基礎(chǔ)上提出了中壓氣源兩級(jí)調(diào)壓的總體供氣方案，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的射流流道，進(jìn)行了射流噪聲抗干擾處理。結(jié)果表明，該方案可以有效地滿足0.05 m 以下(含)噴口開展100～560 m/s 亞/跨音速射流噪聲研究所需的流量和壓力需求，并具有較高的控制精度、射流品質(zhì)以及極低的干擾噪聲級(jí)。該試驗(yàn)臺(tái)不僅可以開展航發(fā)冷射流噪聲研究，亦可開展普通工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域如閥門、管道等相關(guān)噪聲研究。目前已經(jīng)基于該試驗(yàn)臺(tái)開展了多項(xiàng)射流噪聲研究型試驗(yàn)。