湯濤，談力成，張會(huì)生

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

氣流的起伏運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力性噪聲。噴注噪聲是其中最常見(jiàn)的一種，如工業(yè)管道的排放氣、飛機(jī)噴氣等，它是噪聲污染的重要禍源。研究噴注噪聲并尋求改善途徑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一直以來(lái)，對(duì)噴注噪聲的研究方法以實(shí)驗(yàn)手段為主，馬大猷等人利用實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合的方法，對(duì)噴注噪聲進(jìn)行過(guò)深入的研究，掌握了大量的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，并且建立了相對(duì)完整的實(shí)驗(yàn)理論[1]。隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)手段已成為氣動(dòng)噪聲研究的主要方法，并且數(shù)值模擬在預(yù)測(cè)及分析噪聲方面有很迅速的發(fā)展[4]。

筆者以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)為對(duì)象建立了2種噴管模型，用以分析鋸齒形翅片對(duì)噴注流場(chǎng)和噪聲特性的影響。

1 噴管排氣噪聲分析

氣流自噴口以一定速度噴射出來(lái)，離開(kāi)噴口會(huì)產(chǎn)生卷吸作用，吸入周?chē)諝馀c主流摻混，該過(guò)程產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)之為噴射噪聲。理想情況下亞聲速?lài)娏鹘Y(jié)構(gòu)如圖1 所示：噴口至5D（D 為噴管出口直徑）處是強(qiáng)烈的混合區(qū)，在此混合強(qiáng)烈，湍流強(qiáng)度高；射流核心結(jié)束處至10D處為過(guò)渡區(qū)，該區(qū)流動(dòng)復(fù)雜；在射流10D 后區(qū)域，則為完全摻混區(qū)。研究表明噪聲大部分來(lái)自混合區(qū)[5]。

圖1 亞聲速?lài)娏鹘Y(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of subsonic jet

Lighthill從流動(dòng)基本方程出發(fā)，根據(jù)湍流射流特性，推導(dǎo)出氣流中的湍動(dòng)是聲的發(fā)射源，并通過(guò)理論計(jì)算得到著名的速度8次方定律：

式中：PT是噴流的總輻射聲功率；ρ是噴流氣體密度；ρ0是環(huán)境密度；D是噴管出口直徑；C0是環(huán)境聲速；v是氣流出口速度。

式（1）是針對(duì)亞聲速?lài)娏鞯模砻髋艢鈬姽艿妮椛渎暪β逝c噴流的結(jié)構(gòu)和噴流的速度（v）有關(guān)，這為降低噴注噪聲提供了理論基礎(chǔ)。

降低噴注噪聲主要是通過(guò)降低噴流速度或改變噴流結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)改變噴流結(jié)構(gòu)來(lái)降噪的方法大致有如下幾種：旁通氣流偏心與導(dǎo)流片使次流偏斜、鋸齒形出口（chervon nozzle)、微射流摻混等方式。這些都是從聲源上來(lái)降低或控制噪聲。

2 排氣噴管流場(chǎng)特性及噪聲預(yù)測(cè)

2.1 排氣噴管模型建立

筆者設(shè)計(jì)了2 種不同結(jié)構(gòu)的噴管（如圖2 所示）來(lái)分析鋸齒形出口對(duì)噴管流場(chǎng)特性和噪聲特性的影響。為排除噴流速度的因素，采取“出口面積相同”的原則來(lái)確定噴管尺寸，即2 種噴管除了噴口形狀不同，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)都相同，分別命名為：Pipe.0（圓柱錐形出口），Pipe.2（鋸齒形出口）。

圖2 噴管結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of jet pipes

如圖3所示建立射流的幾何模型。整個(gè)射流區(qū)域自噴口出口處起，射流方向長(zhǎng)度為20D，軸向方向?yàn)?D。因?yàn)槟Ｐ途哂胁糠謱?duì)稱(chēng)型，為節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，在保證計(jì)算精度的情況下，文中的模擬沒(méi)有進(jìn)行全尺寸建模，而是建立了1/6的模型。另外，根據(jù)噴射噪聲的發(fā)聲特點(diǎn)，建立圖4所示的梯形區(qū)域，以利于噪聲預(yù)測(cè)時(shí)噪聲源的選取[6]。

圖3 仿真計(jì)算模型Fig.3 Simulation model of jet pipes

圖4 邊界條件的定義Fig.4 Definition of bundary cnditions

2.2 流場(chǎng)分析

邊界條件：入口速度為22 m/s；射流區(qū)域邊界條件為壓力邊界，其值為大氣壓力。

湍流模型：大多數(shù)的噴注流動(dòng)都是湍流情形[7]。針對(duì)湍流流動(dòng)的特點(diǎn)，在現(xiàn)有的計(jì)算條件下，采用了Realizable k-ε模型，能夠達(dá)到計(jì)算的精確度。

對(duì)于噴注流場(chǎng)，給出了噴管流動(dòng)模型中截面上的速度場(chǎng)及湍流強(qiáng)度場(chǎng)，來(lái)分析不同結(jié)構(gòu)噴管的流動(dòng)特性。

2.2.1 速度場(chǎng)

圖5和圖6分別給出了錐形噴管和鋸齒形翅片噴管射流場(chǎng)的中截面速度分布。從圖5，6來(lái)看，2種噴管流場(chǎng)都具有如下特點(diǎn)：1）射流混合區(qū)的內(nèi)邊界相交形成一個(gè)核心區(qū)，這個(gè)核心區(qū)內(nèi)速度不變；2）沿著射流方向，射流引入伴隨流進(jìn)行摻混，使得混合區(qū)厚度逐漸增大；3）射流混合區(qū)后，軸向速度連續(xù)下降。

圖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，鋸齒形翅片使得射流情況發(fā)生了改變：1）pipe.2的射流核心長(zhǎng)度較pipe.0短一些；2）Pipe.2較pipe.0混合段的速度下降較快。這是鋸齒形翅片引入的擾流作用，使得主流卷吸了更多的空氣摻混。

2.2.2 湍流強(qiáng)度場(chǎng)

圖7 和圖8 分別給出了2 種噴管?chē)娚淞鲌?chǎng)的中截面湍流強(qiáng)度分布，可以看出pipe.2較pipe.0在噴管出口、混合段的湍流強(qiáng)度有所降低。這是鋸齒形翅片伸入到噴注流體中，引入了渦流改變噴流的摻混的結(jié)果。這表明噴管出口處加裝鋸齒形翅片后會(huì)引入流向渦，會(huì)改變噴流的流動(dòng)特性。具體有以下表現(xiàn)：1）改變了射流核心長(zhǎng)度；2）增加了卷吸的環(huán)繞空氣量，改變了主氣流和卷吸氣流的摻混過(guò)程。

圖7 Pipe.0中截面湍流強(qiáng)度分布Fig. 7 Turbulent intensity distribution at x=0 cross section of pipe.0

圖8 Pipe.2中截面湍流強(qiáng)度分布Fig. 8 Turbulent intensity distribution at x=0 cross section of pipe.2

2.3 噪聲預(yù)測(cè)

聲學(xué)理論表明媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)受到聲波作用時(shí)，會(huì)不斷地產(chǎn)生壓力強(qiáng)弱變化。聲壓是媒介中壓力超過(guò)靜壓的值，一般指有效聲壓，一定時(shí)間間隔內(nèi)瞬時(shí)聲壓的均方根值見(jiàn)式（2）。數(shù)值模擬可以得到指定位置的聲壓信息，為噴注噪聲預(yù)測(cè)提供了可能。

式中：p（t）為瞬時(shí)聲壓，N/m2。

噴流時(shí)2 股流體在噴口處形成的間斷面不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)漩渦，并且2股流體之間發(fā)生動(dòng)量、質(zhì)量、能量的交換，因而會(huì)發(fā)出很大的噪聲。研究表明噴氣噪聲與氣流的結(jié)構(gòu)有關(guān)[7]，而出口處鋸齒狀翅片的引入，使得噴流的流動(dòng)情況改變了，因此會(huì)導(dǎo)致噴注噪聲的變化。

FLUENT 中噴注噪聲預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于找到聲源。依據(jù)噴流噪聲的特點(diǎn)，聲源選取如下區(qū)域（如圖4 所示）：起始于噴口處，直徑為3 倍出口直徑，直線(xiàn)段為12 倍出口直徑，末端直徑為6 倍出口直徑的一個(gè)漸擴(kuò)區(qū)域。為了得到噴管的近場(chǎng)聲壓級(jí)信息，需要布置相應(yīng)的聲壓力接收點(diǎn)，如圖9 所示呈陣列布置：這些點(diǎn)自噴口出口面起，沿著軸向和徑向方向布置，并保證位于噴口的壓力邊界之外[8]。

圖9 聲壓力接收點(diǎn)分布Fig.9 Receiver points distribution

數(shù)值計(jì)算可以得到各個(gè)接收點(diǎn)的時(shí)域聲壓信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理可得到如圖10、圖11 所示的近場(chǎng)噪聲云圖。圖9—圖12中：z/D表示沿射流方向，距噴口距離與噴管出口直徑的比值；y/D 表示沿徑向方向，距噴口軸線(xiàn)距離與噴管出口直徑的比值。

圖10 Pipe.0聲壓級(jí)分布Fig.10 SPL map of pipe.0

圖11 Pipe.2聲壓級(jí)分布Fig.11 SPL map of pipe.2

其中，距離噴口軸線(xiàn)6D處，2種噴管沿射流方向的噪聲級(jí)對(duì)比如圖12 所示。從圖12 來(lái)看，2 種噴管的近場(chǎng)噪聲分布有下述特點(diǎn)。

1）噪聲沿噴注方向整體上隨距離逐漸降低。因?yàn)檠刂鴩娮⒎较?，噴注的寬度隨著距離逐漸擴(kuò)散，即流速連續(xù)降低，意味著噪聲逐漸降低。

2）這2種噴管的射流噪聲在流動(dòng)下游方向與軸線(xiàn)成約30°角方向上較強(qiáng)。

圖12 2種噴管各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)對(duì)比Fig.12 SPL comparison between two type of pipes

3）整體上看，鋸齒形小翅片的引入使得近場(chǎng)噪聲約有1～2 dB的降低，但是，鋸齒形翅片也改變了近場(chǎng)噪聲的分布。比如射流方向距噴口距離軸向2D附近，噪聲級(jí)相對(duì)有所提高，這是由于噴口附近渦流的影響，但是整體上，鋸齒形翅片的引入還是使得噪聲有所降低。

3 結(jié)論

使用數(shù)值手段，對(duì)圓柱形噴管出口處引入鋸齒形翅片前后的流場(chǎng)和噪聲特性進(jìn)行了分析，有如下結(jié)論。

1）鋸齒形翅片的引入，改變了噴管的流動(dòng)特性，如射流核心長(zhǎng)度變短、湍流強(qiáng)度降低、射流摻混增加。

2）改變了噴注噪聲的分布，由于噴口處渦流影響，噪聲級(jí)略有上升。然而，整體上鋸齒形翅片使得噴注噪聲有約1 dB的降低。

[1]馬大猷.小孔噴注噪聲和小孔消聲器[J].中國(guó)科學(xué)，1977（5）：445—455.

[2]馬大猷. 湍流噴注噪聲的壓力關(guān)系[J]. 物理學(xué)報(bào)，1987（2）：121—125.

[3]馬大猷.湍流噴注噪聲定律的發(fā)展[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，1987，12（5）：321—328.

[4]黃磊.工業(yè)噴嘴噴注噪聲的抑制技術(shù)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28（8）：106—109.

[5]李立國(guó).航空用引射混合器[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007：91—94.

[6]韓陽(yáng)泉.噴注噪聲的數(shù)值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[7]謝象春. 湍流射流理論與計(jì)算[M]. 北京：科學(xué)出版社，1975：1—14.

[8]HOWES W L,MULL H R.Near Noise Field of a Jet-Engine Exharst，I-Sound Pressure，NACA，TN3764[R].1956.