基于實驗的跨聲速風洞試驗段噪聲機理研究

呂金磊，盛美萍，廖達雄，王海鋒

（1.西北工業(yè)大學航海學院，陜西 西安 710072；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學國家重點試驗室，四川 綿陽 621000）

基于實驗的跨聲速風洞試驗段噪聲機理研究

呂金磊1，2，盛美萍1，廖達雄2，王海鋒2

（1.西北工業(yè)大學航海學院，陜西 西安 710072；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學國家重點試驗室，四川 綿陽 621000）

風洞試驗段噪聲（壓力脈動）是評價風洞流場的重要指標之一，過強的噪聲不但大大降低采集數(shù)據(jù)的精度和準度，同時會激起模型以及風洞部件的抖振響應(yīng)，對材料造成嚴重的疲勞損傷，這一問題在跨聲速風洞中猶為突出。本文從試驗段噪聲的成因展開論述，包括一般風洞中的共性問題和跨聲速風洞中的個性問題；進而結(jié)合風洞實驗對不同的試驗段壁板型式、模型支架等的發(fā)聲規(guī)律進行了探討，并分析了各組分對風洞試驗段總噪聲水平的貢獻。

風洞；噪聲；壓力脈動；流場；跨聲速

0 引 言

壓力脈動指湍流中一點處流動壓強（靜壓）隨時間作隨機變化的現(xiàn)象。單從概念上說，壓力脈動也即流動的噪聲，它是隨著流體媒質(zhì)的流動而產(chǎn)生和傳播的。很多早期研究［1-2］都沒有將二者區(qū)分開來，二者的最大不同之處在于：壓力脈動相對于普通噪聲有著更高的強度，在時域和頻域內(nèi)的變化都更加劇烈。圖1是國內(nèi)某風洞試驗段采集的一條噪聲曲線，在馬赫數(shù)0.83時，幾乎在整個可聽域內(nèi)，聲壓級都超過了140d B。

圖1 風洞試驗段噪聲頻譜圖（Ma=0.83）Fig.1 Spectrogram of noise in wind tunnel（Ma=0.83）

壓力脈動是風洞流場對模型施加的氣動力的一部分，另一部分為平均壓力。結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要取決于壓力脈動，而模型的整體氣動力特性則是平均壓力和壓力脈動共同作用的結(jié)果，因此在風洞中氣流噪聲更多地被作為進行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析和力學環(huán)境研究的依據(jù)。這樣一類氣動噪聲不僅能激起有害的抖振響應(yīng)，極大地縮短材料的疲勞壽命，而且可能造成結(jié)構(gòu)件的破壞。另外，高噪聲使得精確采集信號所需要的平均時間加長，影響測量結(jié)果，特別是對非定常試驗、邊界層轉(zhuǎn)捩試驗等。進一步提高試驗精度、擴大試驗范圍，都對壓力脈動的系統(tǒng)研究提出了迫切的要求。

在20世紀六、七十年代，世界各國對氣流噪聲的研究達到了鼎盛時期，產(chǎn)生了很多經(jīng)典理論，D.G.Mabey［1］和M.V.Lowson［2］分別依據(jù)各自的試驗現(xiàn)象提出了氣流噪聲的預(yù)測公式，并被后來的相關(guān)研究工作者 廣 泛 引用；國 內(nèi)起 步 較晚，惲 起麟［3］，凌 其楊［4］，谷 嘉錦［5］，范潔 川［6］等 人 開 始研 究 這類 氣 動噪聲問題是在20世紀八、九十年代，隨后的幾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實驗驗證。

1 風洞壓力脈動的產(chǎn)生機理

氣流噪聲產(chǎn)生的一個主要原因是邊界層的擾動，風洞可以通過安裝消聲裝置降低管道內(nèi)部的噪聲，但是對于風洞試驗段內(nèi)部產(chǎn)生的這部分噪聲卻很難消除。在這里不存在流體本身的不穩(wěn)定問題，實際上即使是穩(wěn)態(tài)的流動，這種噪聲依然存在。對于可壓縮流，由包含密度的伯努利方程（（1）式）可知：通道截面發(fā)生變化時，變化截面兩端的壓力亦發(fā)生變化［7］，這種壓力變化的直接影響就是導(dǎo)致壁面脫落渦的產(chǎn)生，從而形成了噪聲。有一種比較公認的觀點：壓力起伏的有效值與自由流動壓成正比［8］。對于高亞聲速或跨聲速這類動壓較高的流動，所輻射的噪聲也同樣是很高的。

與真實飛行相比，風洞試驗不可避免的受到壁板的影響，低速風洞的開口試驗段可以大幅度地減弱壁板效應(yīng)，但是，在跨超聲速風洞中，由于能量消耗巨大而無法采用開口試驗段，這一問題變得猶為突出。另外，風洞的堵塞現(xiàn)象、亞聲速洞壁干擾、激波反射等問題在跨聲速風洞中普遍存在，對于這些問題，常規(guī)的風洞試驗段壁板均無法解決。經(jīng)過多年的實驗探索，人們發(fā)現(xiàn)用開孔或開槽壁板，并對孔（槽）的參數(shù)加以優(yōu)化，上面的問題便會迎刃而解。但是，這同時會帶來另一個問題，使用開孔、槽壁，會引入很強的壓力脈動噪聲。由于壁板的特殊性，跨聲速試驗段的噪聲增加了其他形式。首先，通氣壁自身的噪聲以及通氣壁放大了的邊界層內(nèi)的壓力擾動；其次，氣流經(jīng)過孔（槽）壁后，排入駐室時的射流噪聲（沖擊和湍流噪聲）。

按照產(chǎn)生位置來區(qū)分，影響到風洞試驗段的噪聲主要來 自于［9］：

（1）洞壁邊界層的擾動；

（2）氣流流入、流出壁板上的槽（孔）時產(chǎn)生的噪聲；

（3）模型支架的影響；

（4）駐室回流；

（5）來流噪聲。

其中洞壁邊界層的擾動在使用不同的壁板時，輻射的噪聲強度和頻譜又有著很大的差別。駐室回流對于試驗段氣流的擾動也是非常明顯的，對這部分內(nèi)容的研究需要借助更為復(fù)雜的實驗設(shè)備，本文實驗中未涉及這方面的內(nèi)容，為消除其影響，實驗中將回流口（引射縫）封堵。本項研究主要針對（1）、（2）展開。

2 試驗段形式對壓力脈動的影響

2.1 開孔壁板

在跨聲速風洞中，為了解決風洞的堵塞問題，產(chǎn)生均勻的低超聲速流動，減少或消除亞聲速洞壁干擾以及激波反射的影響，選用特種試驗段壁板成了風洞建設(shè)單位的最終選擇?？v觀國內(nèi)外跨、超聲速風洞，這種試驗段壁板共有兩類：開孔壁和開槽壁。

AEDC 16T，ARA 8ft×9ft，RAE 3ft×3ft等風洞采用了開孔壁試驗段。從1947年第一座跨聲速風洞運行開始，穿孔壁經(jīng)歷了由“直孔-斜孔-變開閉比”的研究歷程，到今天60°被確定為設(shè)計的主流形式，其主要原因就是這種型式的壁板具有良好的消波性能，較容易建立起穩(wěn)定且連續(xù)的試驗段流場。圖2是在風洞無支架，引射縫全開，二喉道不節(jié)流，穩(wěn)定段、噴管道等參數(shù)都完全相同的前提下，實壁與孔壁試驗段的對比吹風實驗曲線，其中，孔壁采用60°斜孔，開孔率6%，沿氣流方向均布。二者最大相差16d B（馬赫數(shù)為0.7情況下），同時，從曲線可以看出，孔壁噪聲在馬赫數(shù)為0.7附近共振特征明顯。

圖2 孔壁與實壁試驗段噪聲比較Fig.2 Contrast curve of test section noise between perforated and solid wall

如此強烈噪聲的一個重要源頭就是孔壁引起的邊棱音——由于孔尖銳后緣的存在，而釋放出的加強渦系，如圖3所示。

圖3 邊棱音模型Fig.3 Edge tone model

當孔的自然頻率與試驗段的自然頻率一致時，就出現(xiàn)共振，在各個孔處產(chǎn)生邊棱音。60°斜孔的共振頻率 滿 足下 面 關(guān)系［4，10］：

式中，f為斜孔的各階共振頻率，Hz；U 為自由流的速度，m／s；Ma為自由流馬赫數(shù)；l為斜孔在順氣流方向的寬度，m。

圖4對比了不同馬赫數(shù)下，采用實壁和開孔壁的試驗段的頻譜圖，在馬赫數(shù)0.4、0.6、0.8孔壁頻譜中都出現(xiàn)了共振峰值，由于缺少對應(yīng)的線譜數(shù)據(jù)，計算結(jié)果與實驗測得的數(shù)據(jù)有一定的差異（表1），但是，從表中依然可以看出，邊棱音確實存在，以及它對測量結(jié)果有著很大的影響。

表1 計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比Table 1 Comparison of calculated and experimental results

圖4 開孔壁試驗段噪聲輻射特性曲線Fig.4 Perforated test section noise radiation characteristic curve

2.2 開槽壁板

試驗段采用開槽壁板很好地規(guī)避了孔壁引入的邊棱音影響，同時在結(jié)構(gòu)上也更容易實現(xiàn)，隨著對風洞試驗采集數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的提升，風洞尺寸變得越來越大，加工難度也成為了設(shè)計風洞過程中必須考慮的問題。NLR HST 1.6（1.8）m×2m，ARC 11ft× 11ft，ETW 2m×2.4m 等風洞試驗段采用這種開槽壁板。ETW 風洞是目前已經(jīng)建成的噪聲最低的風洞之一，且該風洞的其他各項氣動指標也都居于世界先進水平。圖5是本次實驗中用到的一組試驗段壁板，槽口寬度5mm，開閉比10%。

圖5 開槽壁板Fig.5 Slotted test section wall

這種型式壁板輻射的噪聲，除了邊界層的壓力波動以外，主要還表現(xiàn)為：進入試驗段的氣體在試驗段擴張作用下形成的噴注噪聲以及試驗段與駐室流體交互過程中形成的噴注噪聲。邊界層內(nèi)的壓力脈動大小主要根據(jù) Lowson的定義式［2］確定

式中，q為自由流的動壓。多年來相關(guān)研究一直將這一關(guān)系式作為確定邊界層壓力脈動的下限的標準。風洞建設(shè)過程中則努力將設(shè)計指標靠近這一標準。

而噴注湍流噪聲則可以通過lighthill的經(jīng)典理論八次方定律獲得。

式中，Kv為噴注常數(shù)，取值大約為（0.3～1.8）× 10-4；ρ為當?shù)孛劫|(zhì)密度；v 為當?shù)貧饬魉俣?；D 為噴口特征尺寸，這里取試驗段寬度尺寸：0.3m。

圖6對比了實驗曲線與兩條理論曲線，其中噴注的理論曲線中，Kv取最大值（1.8×10-4），從圖中可以看出噴注噪聲與邊界層內(nèi)部壓力波動產(chǎn)生的噪聲相比有著巨大的差距，換言之，這部分噪聲被完全掩蓋了。而實壁、槽壁的測量結(jié)果一致性較好，而且二者都與Lowson曲線有著相同的趨勢，數(shù)值相差也不大。

圖6 槽壁試驗段噪聲輻射特性曲線Fig.6 Slotted test section noise radiation characteristic curve

由于駐室內(nèi)形成的“馬赫數(shù)-噪聲”曲線非常不穩(wěn)定，而且開槽與噴口之間的等效關(guān)系也較難確定，無法簡單地找出噪聲的產(chǎn)生規(guī)律。D.G.Mabey曾經(jīng)針對風洞試驗段槽壁做過一系列實驗［1］以驗證開槽的氣動尺寸，我們可以從他的實驗中得到一些啟示：他的研究表明通過在開槽壁板的背面加網(wǎng)、孔板，以及“V”字槽型，可以大幅度降低噴注噪聲強度。

2.3 模型支架

模型支架（圖7）是風洞試驗段內(nèi)部一個比較穩(wěn)定的噪聲源，流體流經(jīng)支架表面，產(chǎn)生偶極子噪聲。從有、無支架的對比曲線（圖8）可以看出，支架對試驗段噪聲有著較為穩(wěn)定的輸出。對于典型的偶極子聲源，有如下關(guān)系成立：

式中，Wd為輻射聲功率；D為支架特征尺寸。

圖7 模型支架Fig.7 Model stand

圖8 模型支架影響曲線Fig.8 Curve of noise affect from model stand

在風洞中，工作介質(zhì)不再滿足“不可壓縮，等熵，無粘”的理想流體特征，上式結(jié)果受到流體當?shù)孛芏?、溫度等多個因素的影響，實際情況較為復(fù)雜，這里僅對實驗結(jié)果曲線進行擬合，圖9，得到不同風速下的支架作用影響公式：

圖9 模型支架噪聲擬合曲線Fig.9 Fitting curve of noise affect from model stand

3 結(jié) 論

跨聲速流動的噪聲問題研究對于高質(zhì)量的風洞試驗數(shù)據(jù)采集有著極為重要的意義，模擬流動的風洞設(shè)備為這項研究的開展提供了有力的硬件平臺。通過該項研究，我們得到如下結(jié)論：

（1）開槽通氣壁比開孔壁有著更穩(wěn)定的聲學性能。在使用開孔壁的風洞中，邊棱音的存在，極大地影響著風洞試驗段的背景噪聲水平；而開槽壁板只在個別風速下產(chǎn)生較高的噪聲，并且對試驗段噪聲的影響很小。

（2）風洞壓力脈動的數(shù)值可以定性地預(yù)測。例如邊棱音的發(fā)生頻率，邊界層擾動的大小，模型支架的影響程度等，經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)的修正，可以在更大的范圍內(nèi)使用。

（3）現(xiàn)階段，國內(nèi)大多數(shù)跨聲速風洞的背景噪聲遠高于根據(jù)經(jīng)典理論計算得到的結(jié)果，非邊界層噪聲占主要成分，將風洞試驗段的噪聲降低到邊界層本底噪聲的水平仍是現(xiàn)階段跨聲速風洞設(shè)計和改造的奮斗目標。

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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

呂金磊（1980-），男，河南杞縣人，工程師，碩士，主要從事噪聲與振動控制工程研究.E-mail：36065024＠qq.com

呂金磊，盛美萍，廖達雄，等.基于實驗的跨聲速風洞試驗段噪聲機理研究［J］.空氣動力學學報，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.