鋸齒形翅片對噴管流動及噪聲特性的影響分析

湯濤，談力成，張會生

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

氣流的起伏運動會產(chǎn)生空氣動力性噪聲。噴注噪聲是其中最常見的一種，如工業(yè)管道的排放氣、飛機噴氣等，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)實意義。

一直以來，對噴注噪聲的研究方法以實驗手段為主，馬大猷等人利用實驗與理論結(jié)合的方法，對噴注噪聲進行過深入的研究，掌握了大量的實驗規(guī)律，并且建立了相對完整的實驗理論[1]。隨著計算流體力學(xué)技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬結(jié)合試驗手段已成為氣動噪聲研究的主要方法，并且數(shù)值模擬在預(yù)測及分析噪聲方面有很迅速的發(fā)展[4]。

筆者以發(fā)動機排氣系統(tǒng)為對象建立了2種噴管模型，用以分析鋸齒形翅片對噴注流場和噪聲特性的影響。

1 噴管排氣噪聲分析

氣流自噴口以一定速度噴射出來，離開噴口會產(chǎn)生卷吸作用，吸入周圍空氣與主流摻混，該過程產(chǎn)生的噪聲稱之為噴射噪聲。理想情況下亞聲速噴流結(jié)構(gòu)如圖1 所示：噴口至5D（D 為噴管出口直徑）處是強烈的混合區(qū)，在此混合強烈，湍流強度高；射流核心結(jié)束處至10D處為過渡區(qū)，該區(qū)流動復(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自混合區(qū)[5]。

圖1 亞聲速噴流結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of subsonic jet

Lighthill從流動基本方程出發(fā)，根據(jù)湍流射流特性，推導(dǎo)出氣流中的湍動是聲的發(fā)射源，并通過理論計算得到著名的速度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）是針對亞聲速噴流的，表明排氣噴管的輻射聲功率與噴流的結(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降低噴流速度或改變噴流結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。通過改變噴流結(jié)構(gòu)來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降低或控制噪聲。

2 排氣噴管流場特性及噪聲預(yù)測

2.1 排氣噴管模型建立

筆者設(shè)計了2 種不同結(jié)構(gòu)的噴管（如圖2 所示）來分析鋸齒形出口對噴管流場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。整個射流區(qū)域自噴口出口處起，射流方向長度為20D，軸向方向為4D。因為模型具有部分對稱型，為節(jié)約計算機資源，在保證計算精度的情況下，文中的模擬沒有進行全尺寸建模，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，建立圖4所示的梯形區(qū)域，以利于噪聲預(yù)測時噪聲源的選取[6]。

圖3 仿真計算模型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)的噴注流動都是湍流情形[7]。針對湍流流動的特點，在現(xiàn)有的計算條件下，采用了Realizable k-ε模型，能夠達到計算的精確度。

對于噴注流場，給出了噴管流動模型中截面上的速度場及湍流強度場，來分析不同結(jié)構(gòu)噴管的流動特性。

2.2.1 速度場

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的中截面速度分布。從圖5，6來看，2種噴管流場都具有如下特點：1）射流混合區(qū)的內(nèi)邊界相交形成一個核心區(qū)，這個核心區(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 湍流強度場

圖7 和圖8 分別給出了2 種噴管噴射流場的中截面湍流強度分布，可以看出pipe.2較pipe.0在噴管出口、混合段的湍流強度有所降低。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引入流向渦，會改變噴流的流動特性。具體有以下表現(xiàn)：1）改變了射流核心長度；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程。

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

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

2.3 噪聲預(yù)測

聲學(xué)理論表明媒質(zhì)中質(zhì)點受到聲波作用時，會不斷地產(chǎn)生壓力強弱變化。聲壓是媒介中壓力超過靜壓的值，一般指有效聲壓，一定時間間隔內(nèi)瞬時聲壓的均方根值見式（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)測提供了可能。

式中：p（t）為瞬時聲壓，N/m2。

噴流時2 股流體在噴口處形成的間斷面不穩(wěn)定，會出現(xiàn)漩渦，并且2股流體之間發(fā)生動量、質(zhì)量、能量的交換，因而會發(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，使得噴流的流動情況改變了，因此會導(dǎo)致噴注噪聲的變化。

FLUENT 中噴注噪聲預(yù)測的關(guān)鍵在于找到聲源。依據(jù)噴流噪聲的特點，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，直線段為12 倍出口直徑，末端直徑為6 倍出口直徑的一個漸擴區(qū)域。為了得到噴管的近場聲壓級信息，需要布置相應(yīng)的聲壓力接收點，如圖9 所示呈陣列布置：這些點自噴口出口面起，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 聲壓力接收點分布Fig.9 Receiver points distribution

數(shù)值計算可以得到各個接收點的時域聲壓信號，對這些信號進行處理可得到如圖10、圖11 所示的近場噪聲云圖。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，距噴口軸線距離與噴管出口直徑的比值。

圖10 Pipe.0聲壓級分布Fig.10 SPL map of pipe.0

圖11 Pipe.2聲壓級分布Fig.11 SPL map of pipe.2

其中，距離噴口軸線6D處，2種噴管沿射流方向的噪聲級對比如圖12 所示。從圖12 來看，2 種噴管的近場噪聲分布有下述特點。

1）噪聲沿噴注方向整體上隨距離逐漸降低。因為沿著噴注方向，噴注的寬度隨著距離逐漸擴散，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下游方向與軸線成約30°角方向上較強。

圖12 2種噴管各測點聲壓級對比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噪聲約有1～2 dB的降低，但是，鋸齒形翅片也改變了近場噪聲的分布。比如射流方向距噴口距離軸向2D附近，噪聲級相對有所提高，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，對圓柱形噴管出口處引入鋸齒形翅片前后的流場和噪聲特性進行了分析，有如下結(jié)論。

1）鋸齒形翅片的引入，改變了噴管的流動特性，如射流核心長度變短、湍流強度降低、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，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，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].振動與沖擊，2009，28（8）：106—109.

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

[6]韓陽泉.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.