雷紅勝 張俊龍 張 軍 趙 昱 盧翔宇

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 綿陽 621000)

0 引言

射流噪聲是一類典型的氣動噪聲源，是氣動聲學領(lǐng)域的一個非常重要的研究方向[1]。射流噪聲問題涉及到航空動力、汽車排氣、風機、閥門、空調(diào)、管道等諸多生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。國內(nèi)外學者在理論、數(shù)值模擬、實驗研究以及噪聲控制等方面開展了大量的工作，取得了一定的進展[2]，并應用于實際工程中，比如七八十年代關(guān)于噴注噪聲的研究和應用[3?7]。其中理論和數(shù)值工作可以為射流噪聲預測提供指導，但還需要實驗環(huán)節(jié)來進行驗證，因此需要建立相應的射流系統(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備[8?10]。而國內(nèi)在部分高校實驗室，如北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、華中科技大學建立了研究型射流試驗裝置等，開展了相應的研究[11?13]。

隨著射流噪聲試驗精準度需求的增加，射流噪聲試驗臺應該建立在具有較為嚴格的消聲環(huán)境中。中國空氣動力研究與發(fā)展中心于2013年建設了10.8 m×8.4 m×7 m (L×W ×H)聲學校準用全消聲室，本底噪聲7 dB(A)，在此基礎上配套射流噪聲試驗臺，研究射流氣動噪聲的產(chǎn)生機理及降噪方法，將為發(fā)動機噴管降噪以及部分工業(yè)降噪等提供一定指導。本文著重介紹了試驗臺設計情況，并對試驗結(jié)果進行了介紹。

1 設計目標

本試驗臺主要模擬航空發(fā)動機亞音速尾噴流噪聲，其是航空發(fā)動機的最主要噪聲來源之一?？紤]到消聲室為不通風駐室，如模擬高溫射流，高溫氣體無法及時排除，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[14–16]給出了溫度和尺度對射流噪聲影響的相似參數(shù)。在射流噪聲的產(chǎn)生機理和降噪措施評估中，采用冷射流裝置開展噪聲研究，也是具有較大指導意義的。設計目標主要考慮以下幾個環(huán)節(jié)。

流速：本試驗臺主要模擬航空發(fā)動機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，遠場測量亦有一定限制。該試驗臺以0.05 m為典型噴口尺寸進行設計。

供氣壓力和流量：該指標為試驗臺供氣設計的依據(jù)。在流速已定的情況下，根據(jù)式(1)和式(2)計算可得壓力為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)，對于空氣，取值為287.06 J/(kg·K)；k比熱比，對于空氣取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計冗余，將測量段前的供氣壓力選定為7.7 kPa～500 kPa，同時以噴口尺寸直徑為0.05 m 為典型尺寸，以400 kPa 測量段為流量計算最大總壓，根據(jù)式(3)計算，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 進行閥門設計選型。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)，因此對供氣壓力的控制精度提出了較高的要求，本項目供氣壓力控制精度定為目標壓力的0.5%。

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

2 試驗臺設計

2.1 試驗臺總體設計方案

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

試驗臺以2 MPa中壓氣源為動力，通過適當?shù)臍庠垂苈犯脑欤由熘料暿医ㄖ浇?，通過配套相應的壓力控制閥組達到目標壓力，進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計為重要環(huán)節(jié)。

2.2 供氣壓力設計

2.2.1 硬件設計

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，相對而言壓力和流量跨度較大，同一個調(diào)節(jié)閥很難同時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

為了達到設計目標，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，通過兩級調(diào)壓的方式進行壓力的精確控制，流程見圖1。該系統(tǒng)主要包括過濾器、手動/電動球閥、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。第一級通過FLA 調(diào)壓閥將2 MPa 降到一個較低的固定壓力，如1 MPa，亦可根據(jù)需要進行調(diào)整。第二級通過FL-BP調(diào)壓閥在此基礎上進一步減壓，以達到使用要求。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。兩者均可本地手動調(diào)節(jié)，亦可通過ERTune TM 專用調(diào)試軟件、模擬給定、上位機RS485 通訊進行數(shù)字給定等方式進行調(diào)節(jié)。

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

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

2.2.2 軟件設計

軟件設計采用可用于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 點控制外，核心在于對ER5000 的輸出控制，通過在射流流道入口處安裝壓力傳感器，用于目標壓力反饋。通過S7-200 Smart PLC采集，采用PID閉環(huán)反饋進行模擬給定輸出對第二級ER5000 實現(xiàn)自動控制，從而實現(xiàn)供氣壓力的精確控制。界面程序包含操作、參數(shù)設置、實時顯示、故障報警、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)鎖上設置了軟硬件保護，如儲氣罐上配置安全閥、設置壓力閾值，超壓自動關(guān)閉電動球閥、設備故障報警等。

2.3 射流流道系統(tǒng)設計

整個射流流道包含引入段、擴散段、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。這里對部分主要環(huán)節(jié)進行介紹。

引入段為波紋管結(jié)構(gòu)，以方便設備的連接和過渡。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關(guān)鍵參數(shù)。本試驗臺射流噴口外形和直徑均可調(diào)整，試驗時根據(jù)需要選取合適的收縮段和噴口，這里按照設計指標選為圓形噴口，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：一是采用雙級調(diào)壓，降低壓差的同時，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，從而降低流體動力學噪聲；二是試驗臺的外露部分均采用消聲海綿包裹；三是設計安裝消音器。文獻[17]指出Non-Line-of-Sight形式的消聲器比傳統(tǒng)消聲器效果更好。本試驗臺在采用此種結(jié)構(gòu)形式的基礎上，進一步增大流道通徑和長度，以進一步增加吸音效果。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)并有保護層，以防止材料外泄。

3 調(diào)試測量及試驗結(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場噪聲測量試驗。

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時有一個躍變，需要在一級調(diào)壓閥適當增加機械彈簧預緊力，增大流量，再配合二級指揮器的切換，實現(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到甚至優(yōu)于0.5%的指標要求。

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τ谠O計目標的5 cm噴口，整個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(顏色標尺)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%，滿足試驗所需。

由于該項目暫未配備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

射流噪聲遠場測量采用遠場傳聲器圓形布置，以噴口中心為原點，傳聲器距離噴口中心3.6 m，對于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，采樣時間20 s。數(shù)據(jù)頻譜分析采用Welch 求功率譜的方法進行，多塊進行平均，數(shù)據(jù)塊長度為16384個數(shù)據(jù)/塊，窄帶信號分析頻率間隔為12.5 Hz。

文中通過兩種方式對試驗臺聲學測量結(jié)果進行了比較，以驗證試驗臺的測量方式和聲學性能。

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

與噴注成90?方向，離噴口1 m 處的聲壓級為

離噴口不同距離的聲壓級換算公式為

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為測量點距噴口的距離。

由表3 可以看出，實際測量與理論計算一致性較好，偏差低于0.32 dB，表明測量方式和測量結(jié)果可信，同時亦對理論公式進行了進一步試驗驗證。

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

圖9 給出了本期試驗獲得的不同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臺結(jié)果的對比[19?20]。該噪聲結(jié)果經(jīng)過了傳聲器頻率響應修正，空氣吸聲修正[21]，縱坐標為歸一化功率譜，橫坐標為射流噪聲的St數(shù)，二者表達公式如下：

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為測量點與噴口的距離。

圖9 本試驗臺射流噪聲與國際主流射流噪聲模擬裝置結(jié)果對比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干擾噪聲導致測得的值偏大問題，Boeing、UCI、Nasa 的結(jié)果為較嚴格的吸聲環(huán)境下的標準射流噪聲試驗值，其值干擾小、更加精確。對比可知，本射流模擬裝置得到射流噪聲信號與國際主流結(jié)果一致性很好，對干擾噪聲的控制與國際試驗臺水平相當，表明本射流模擬裝置能得到純凈的射流噪聲信號，測量及修正方法真實可信。

4 結(jié)論

本文詳細介紹了射流噪聲試驗臺的設計目標分析，在此基礎上提出了中壓氣源兩級調(diào)壓的總體供氣方案，并設計了相應的射流流道，進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。該試驗臺不僅可以開展航發(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)基于該試驗臺開展了多項射流噪聲研究型試驗。