前緣直板擾流對(duì)高速空腔的降噪效果分析

周方奇，楊黨國(guó),*，王顯圣，劉俊，施傲

1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng) 621000 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng) 621000

空腔流動(dòng)普遍存在于航空航天領(lǐng)域。高速氣流流經(jīng)空腔，當(dāng)滿足一定的空氣動(dòng)力學(xué)和幾何條件時(shí)，腔內(nèi)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生劇烈的壓力脈動(dòng)并誘發(fā)高強(qiáng)度噪聲，不僅對(duì)空腔流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響較大，而且還威脅腔內(nèi)設(shè)備和空腔自身結(jié)構(gòu)安全。因此針對(duì)空腔噪聲的抑制研究一直受到廣泛關(guān)注[1-7]，其中前緣擾流流動(dòng)控制是一種簡(jiǎn)單有效的噪聲抑制方法。Stanek等[8]研究了前緣鋸齒、橫向圓柱和繞有細(xì)鐵絲的圓柱桿等擾流裝置對(duì)腔內(nèi)流動(dòng)和噪聲的影響。Schmit等[9-11]利用高速攝影技術(shù)研究了超聲速條件下前緣直板、圓柱和鋸齒對(duì)腔內(nèi)流動(dòng)和噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)前緣擾流裝置可以通過(guò)抬高剪切層的位置削減進(jìn)入空腔的流量，從而抑制空腔高強(qiáng)度噪聲。Thangamani等[12-14]研究了前緣鋸齒對(duì)空腔噪聲抑制效果，指出前緣鋸齒可以改變空腔上方剪切層的三維形態(tài)和高度并破壞其連續(xù)性。Panickar和Raman[15-16]研究了前緣圓柱對(duì)空腔噪聲和自持振蕩的影響，指出前緣圓柱可以在較大的速度范圍內(nèi)抑制腔內(nèi)噪聲。Dudley和Ukeiley[17-19]發(fā)現(xiàn)前緣圓柱可以使剪切層向腔外偏轉(zhuǎn)，從而抬高剪切層的位置并增加其厚度和穩(wěn)定性，有效減弱與后壁相撞的沖擊。國(guó)內(nèi)研究人員也通過(guò)在空腔前緣添加鋸齒和吹吸氣裝置等方式，開(kāi)展了空腔噪聲控制研究[20-22]。國(guó)內(nèi)外對(duì)空腔流動(dòng)/噪聲的控制研究大多集中在亞聲速來(lái)流條件下，且關(guān)注的重點(diǎn)是對(duì)噪聲控制效果的分析，而對(duì)超聲速條件下結(jié)合空腔壁面和空間流譜結(jié)構(gòu)的空腔流動(dòng)/噪聲控制研究機(jī)理探討較少。

本文以某型號(hào)飛機(jī)的工程具體應(yīng)用為研究背景，通過(guò)對(duì)比多種不同控制參數(shù)狀態(tài)下腔內(nèi)的噪聲聲壓級(jí)分布，確定前緣直板控制參數(shù)的優(yōu)化選擇方法和最優(yōu)控制參數(shù)；綜合利用風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量腔內(nèi)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)壓力、腔壁面油流圖譜和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，深入分析了跨超聲速條件下具有代表性的優(yōu)選出的典型前緣直板對(duì)腔內(nèi)流動(dòng)/噪聲的控制機(jī)理、效果和影響規(guī)律，為建立具有工程實(shí)用價(jià)值的控制對(duì)策提供理論支撐和方法借鑒。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所的FL-21風(fēng)洞中完成。FL-21風(fēng)洞系橫截面為 0.6 m×0.6 m半回流暫沖式亞、跨、超三聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍為0.2～3.5，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為 1.775 m?？缏曀贂r(shí)試驗(yàn)段上下為槽壁，兩側(cè)為實(shí)壁，超聲速時(shí)四壁均為實(shí)壁。

利用美國(guó)Kulite公司型號(hào)為XCE-062的壓阻式傳感器測(cè)量腔內(nèi)脈動(dòng)壓力，其量程為30 PSI (1 PSI=6.895 kPa)，固有頻率為200 kHz，試驗(yàn)中傳感器采樣頻率設(shè)置為50 kHz。腔內(nèi)靜壓則通過(guò)PSI 9016電子掃描閥系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，其量程為15 PSI，測(cè)量精度達(dá)到±0.05% FS (Full Scale)，采樣率為每通道100 Hz。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傞L(zhǎng)為514 mm，寬為320 mm，腔體的長(zhǎng)度L為200 mm，深度D為33.3 mm，寬度W為66.7 mm，長(zhǎng)深比為6，寬深比為2?？涨涣鲃?dòng)控制模型實(shí)物如圖1所示。

為開(kāi)展不同類型的試驗(yàn)研究，分別加工了“測(cè)壓腔”和“油流腔”兩種腔體?！皽y(cè)壓腔”底部和前壁中軸線上交替分布有脈動(dòng)壓力和靜壓測(cè)點(diǎn)，腔內(nèi)壓力傳感器分布如圖2所示，其中：x/L為流向坐標(biāo)與空腔長(zhǎng)度的比值。由于模型還需完成后緣修型等其他控制方法的試驗(yàn)研究，有些控制裝置需通過(guò)空腔后壁的螺孔進(jìn)行安裝，因而后壁面并未布置傳感器測(cè)點(diǎn)。“油流腔”內(nèi)部為光滑的金屬表面，為了增強(qiáng)油流的對(duì)比度，通過(guò)電化學(xué)的方法使腔體表面黑化(見(jiàn)圖1)。

圖1 空腔流動(dòng)控制模型Fig.1 Cavity flow controlling model

圖2 腔內(nèi)壓力傳感器分布Fig.2 Distoribution of pressure sensors in cavity

圖3 空腔前緣處的直板結(jié)構(gòu)Fig.3 Plate structure at leading edge of cavity

空腔前緣設(shè)有卡槽用以安裝前緣直板擾流裝置，與模型前緣之間為200 mm的光滑平板，來(lái)流在其上發(fā)展形成湍流邊界層，并在空腔前緣與直板控制裝置相互作用。前緣直板的幾何形狀通過(guò)3個(gè)參數(shù)確定，分別為展度e、傾斜角度θ和底縫開(kāi)度h(如圖3所示)。來(lái)流邊界層形態(tài)和厚度δ是影響空腔上方剪切層形成、發(fā)展和渦脫落頻度的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)空腔的流動(dòng)特征有著重要影響，因而對(duì)空腔內(nèi)的多尺度湍流結(jié)構(gòu)和噪聲的控制對(duì)策一定要考慮邊界層的模擬和影響。為此，依據(jù)空腔流動(dòng)尺度影響和控制技術(shù)構(gòu)建思路，引入前緣直板控制參數(shù)e*和h*，分別定義為e*=e/δ，h*=h/δ，代表了前緣直板裝置展度e和底縫開(kāi)度h與空腔前緣來(lái)流邊界層厚度δ之比，可有效反映空腔前緣直板控制裝置尺度與邊界層厚度的相對(duì)關(guān)系以及控制對(duì)策的特征參數(shù)，指導(dǎo)真實(shí)環(huán)境和條件下控制措施的構(gòu)建。

2 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)脈動(dòng)壓力傳感器采集到的時(shí)域信號(hào)中包含直流和交流2種成分，經(jīng)過(guò)濾波處理去除直流成分，保留交流成分p(t)，其均方根計(jì)算式為

(1)

式中：T為樣本長(zhǎng)度。從而獲取脈動(dòng)壓力時(shí)域樣本的聲壓級(jí)SPL為

(2)

式中：pref=2.0×10-5Pa為參考?jí)毫?。樣本的聲壓?jí)反映了測(cè)點(diǎn)處流場(chǎng)中壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度，可以有效描述腔內(nèi)噪聲的分布狀況。

利用MATLAB軟件函數(shù)庫(kù)中的Pwelch函數(shù)計(jì)算時(shí)域脈動(dòng)壓力樣本的功率譜密度PSD，然后通過(guò)式(3)獲取樣本的聲壓頻譜SPFS，從而對(duì)腔內(nèi)噪聲進(jìn)行頻譜分析。

(3)

3 控制參數(shù)的影響及優(yōu)化選擇

試驗(yàn)中共準(zhǔn)備了9種不同控制參數(shù)的前緣直板裝置，在Ma=0.9和Ma=1.5來(lái)流條件下分別開(kāi)展空腔流動(dòng)控制試驗(yàn)。根據(jù)腔內(nèi)噪聲分布，對(duì)比分析展度e、傾斜角度θ和底縫開(kāi)度h共3種控制參數(shù)對(duì)控制效果的影響，并確定試驗(yàn)中最優(yōu)的控制參數(shù)和優(yōu)化選擇方法。通過(guò)前期的邊界層特性測(cè)量試驗(yàn)，獲取了Ma=0.9和Ma=1.5兩種來(lái)流條件下空腔前緣處的邊界層厚度δ分別為3.3 mm和3.4 mm。利用邊界層厚度δ的試驗(yàn)結(jié)果和直板的幾何尺寸，可以確定Ma=0.9和Ma=1.5來(lái)流條件下直板的控制參數(shù)e*和h*。

3.1 直板展度的影響

通過(guò)對(duì)比不同展度前緣直板控制條件下腔內(nèi)的聲壓級(jí)分布，分析直板展度e對(duì)腔內(nèi)噪聲的影響。圖4給出了4種不同展度的直板控制條件下腔內(nèi)壁面中心線上的聲壓級(jí)分布曲線，其中直板的傾角均為45°，底縫開(kāi)度均為0 mm，展度依次為2.2、3.3、4.4和5.5 mm，具體的參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)圖4中聲壓級(jí)曲線的對(duì)比可以看出：在傾角和底縫開(kāi)度不變的情況下，隨著直板展度的增加，腔內(nèi)聲壓級(jí)逐漸降低，其中Ma=0.9時(shí)聲壓級(jí)的變化主要集中在空腔的兩端，中段變化相對(duì)微弱；Ma=1.5時(shí)則表現(xiàn)為聲壓級(jí)曲線整體向下平移。另外，直板展度從2.2 mm增加至3.3 mm時(shí)聲壓級(jí)下降的幅度最大，在后緣測(cè)點(diǎn)處Ma=0.9和Ma=1.5時(shí)分別達(dá)1.3 dB和1.2 dB，展度繼續(xù)增加后聲壓級(jí)降低的幅值逐漸減小。上述現(xiàn)象表明：當(dāng)e<3.3 mm，e*<1.0時(shí)，即前緣直板的展度小于來(lái)流邊界層厚度時(shí)，腔內(nèi)噪聲對(duì)展度的變化較敏感，直板展度的增加對(duì)噪聲抑制具有較強(qiáng)的效果；當(dāng)展度大于邊界層厚度時(shí)，腔內(nèi)噪聲對(duì)展度的敏感性逐漸減弱。

圖4 不同展度的直板控制條件下腔內(nèi)聲壓級(jí)分布Fig.4 Distribution of sound pressure level in cavity for controlling with plates of different extents

表1 不同展度直板的具體參數(shù)Table 1 Parameters of plates with different extents

Platee/mmθ/(°)h/mme*Ma=0.9Ma=1.5Plate-12.24500.670.64Plate-23.34501.000.97Plate-34.44501.331.29Plate-45.54501.671.62

直板展度的增加雖然可以降低腔內(nèi)噪聲，但同時(shí)也會(huì)增大直板在來(lái)流法向上的投影面積，導(dǎo)致空腔附近阻力的提升，進(jìn)而影響飛行器的整機(jī)氣動(dòng)特性和飛行性能。因而結(jié)合噪聲抑制效果和氣動(dòng)特性需求，前緣直板的展度與邊界層厚度相當(dāng)(本試驗(yàn)中為3.3 mm左右)時(shí)應(yīng)用價(jià)值最大。

3.2 直板傾角的影響

直板的傾角主要是依據(jù)超聲速來(lái)流條件下空腔前緣產(chǎn)生的典型流動(dòng)特征(如膨脹波或激波等)的傾斜角度來(lái)確定的。通過(guò)對(duì)比不同傾角前緣直板條件下腔內(nèi)的聲壓級(jí)分布，分析直板傾角對(duì)腔內(nèi)噪聲的影響。圖5給出了3種不同傾角的直板控制條件下腔內(nèi)的聲壓級(jí)分布曲線，其中直板的展度均為3.3 mm，與來(lái)流邊界層厚度基本相當(dāng)，底縫開(kāi)度均為0 mm，傾角θ依次為30°、45°和60°，具體的參數(shù)見(jiàn)表2。從圖5中不同曲線間的對(duì)比可以看出：在直板展度和底縫開(kāi)度不變的情況下，當(dāng)傾角從30°增長(zhǎng)到45°時(shí)，Ma=0.9條件下后緣附近聲壓級(jí)顯著下降，Ma=1.5條件下聲壓級(jí)曲線整體向下平移；當(dāng)傾角從45°增大到60°，Ma=0.9條件下大部分區(qū)域聲壓級(jí)變化微弱，而Ma=1.5條件下兩條聲壓級(jí)曲線幾乎重合。上述現(xiàn)象表明：當(dāng)前緣直板的傾角θ<45°時(shí)，腔內(nèi)噪聲對(duì)直板傾角的變化比較敏感，傾角的增加有利于對(duì)腔內(nèi)噪聲的抑制；當(dāng)傾角θ>45°時(shí)，繼續(xù)增大傾角對(duì)腔內(nèi)噪聲影響微弱。另外，傾角的增大也會(huì)增加直板在來(lái)流法向上的投影面積，提高空腔附近的阻力，因而綜合考慮噪聲抑制和氣動(dòng)特性需求，空腔前緣直板控制的最優(yōu)傾角為45°。

圖5 不同傾角的直板控制條件下腔內(nèi)聲壓級(jí)分布Fig.5 Distribution of sound pressure level in cavity for controlling with plates of different angles

表2 不同傾角直板的具體參數(shù)Table 2 Parameters of plates with different angles

Platee/mmθ/(°)h/mme*Ma=0.9Ma=1.5Plate-53.33001.00.97Plate-23.34501.00.97Plate-63.36001.00.97

3.3 直板底縫開(kāi)度的影響

通過(guò)對(duì)比不同底縫開(kāi)度前緣直板條件下腔內(nèi)的聲壓級(jí)分布，分析直板底縫對(duì)腔內(nèi)噪聲的影響。圖6給出了4種不同底縫開(kāi)度的直板控制條件下腔內(nèi)聲壓級(jí)分布，4種直板的展度均為3.3 mm，傾角θ均為45°，底縫開(kāi)度依次為0、0.5、1.0和1.5 mm，具體參數(shù)見(jiàn)表3。從圖6中可以看出：當(dāng)直板展度和傾角不變時(shí)，隨著直板底縫開(kāi)度的增加，除Ma=0.9條件下個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，腔內(nèi)聲壓級(jí)均逐漸減小。通過(guò)聲壓級(jí)曲線的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)h<1 mm，h*<0.3時(shí)，腔內(nèi)聲壓級(jí)對(duì)底縫開(kāi)度的變化較敏感，隨著底縫開(kāi)度的增加，后部聲壓級(jí)顯著下降，底縫開(kāi)度h從0.5 mm增加到1.0 mm時(shí)，Ma=0.9和Ma=1.5條件下后緣聲壓級(jí)降低幅值均達(dá)到0.7 dB以上；當(dāng)h>1 mm，h*>0.3時(shí)，雖然噪聲對(duì)開(kāi)度的敏感性減弱，增加底縫開(kāi)度仍然可以使得聲壓級(jí)繼續(xù)下降。上述現(xiàn)象表明在試驗(yàn)提供的底縫開(kāi)度變化范圍內(nèi)，即h≤1.5 mm條件下，通過(guò)在前緣直板的底部增加底縫可以增強(qiáng)對(duì)腔內(nèi)噪聲的抑制，底縫開(kāi)度的增大可以提升噪聲的抑制效果。另外，由于底縫開(kāi)度變化的過(guò)程中直板在來(lái)流法向上的投影面積保持不變，對(duì)飛行器的氣動(dòng)特性影響較小。因而增加底縫開(kāi)度有利于直板對(duì)空腔噪聲的抑制，試驗(yàn)提供的底縫開(kāi)度最大值h=1.5 mm為最優(yōu)底縫開(kāi)度。

圖6 不同底縫開(kāi)度直板控制條件下腔內(nèi)聲壓級(jí)分布Fig.6 Distribution of sound pressure level in cavity for controlling with plates of different crack sizes

表3 不同底縫開(kāi)度直板的具體參數(shù)Table 3 Parameters of plates with different crack sizes

Platee/mmθ/(°)h/mmh*Ma=0.9Ma=1.5Plate-23.345000Plate-73.3450.50.150.147Plate-83.3451.00.300.290Plate-93.3451.50.450.440

通過(guò)以上9種前緣直板控制條件下腔內(nèi)聲壓級(jí)的分類對(duì)比，分別對(duì)前緣直板的展度、傾角和底縫開(kāi)度3個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選擇，并確定了試驗(yàn)中的最優(yōu)控制參數(shù)：展度e=3.3 mm，傾角θ=45°，底縫開(kāi)度h=1.5 mm。而前緣直板Plate-9的展度、傾角和底縫開(kāi)度均與3種最優(yōu)控制參數(shù)相符，同時(shí)在其作用下腔內(nèi)聲壓級(jí)也低于其他流動(dòng)控制狀態(tài)，因而第4節(jié)將以直板Plate-9為研究對(duì)象，對(duì)前緣直板流動(dòng)控制條件下腔內(nèi)的流場(chǎng)和噪聲進(jìn)行深入分析。

4 典型前緣直板控制效果分析

開(kāi)展Ma=0.9和Ma=1.5來(lái)流條件下的風(fēng)洞試驗(yàn)，根據(jù)無(wú)流動(dòng)控制的基準(zhǔn)狀態(tài)及前緣直板Plate-9流動(dòng)控制狀態(tài)下腔內(nèi)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量和壁面油流試驗(yàn)結(jié)果，分析前緣直板Plate-9對(duì)腔內(nèi)流場(chǎng)和噪聲特性的影響規(guī)律和控制機(jī)理。

4.1 靜壓分布

利用壁面的靜壓測(cè)點(diǎn)可以獲取不同來(lái)流條件下腔內(nèi)流場(chǎng)的靜壓分布，基準(zhǔn)狀態(tài)和前緣直板Plate-9流動(dòng)控制狀態(tài)下腔內(nèi)底面中軸線上無(wú)量綱靜壓系數(shù)Cp的分布曲線如圖7所示，從中可以看出：無(wú)論在Ma=0.9還是Ma=1.5來(lái)流條件下，基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)Cp曲線均呈明顯的3段式擬線性分布，因此可以根據(jù)該特征將腔內(nèi)流場(chǎng)沿流向劃分為3個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)域x/L∈(0,0.43)、Ⅱ區(qū)域x/L∈[0.43,0.85)和Ⅲ區(qū)域x/L∈[0.85，1.00)，并從以上3個(gè)區(qū)域分別分析前緣直板對(duì)腔內(nèi)靜壓的影響。

圖7 基準(zhǔn)狀態(tài)和Plate-9流動(dòng)控制條件下腔內(nèi) 無(wú)量綱靜壓分布 Fig.7 Distribution of dimensionless static pressure in cavity under basic and Plate-9 flow controlling conditions

對(duì)比基準(zhǔn)狀態(tài)和流動(dòng)控制狀態(tài)下的Cp曲線，發(fā)現(xiàn)在空腔前緣安裝直板Plate-9后，腔內(nèi)3個(gè)區(qū)域靜壓系數(shù)均有所下降，其中：Ⅲ區(qū)域中的變化最為顯著，Ma=0.9和Ma=1.5條件下后緣附近Cp分別降低0.394和0.258；而Ⅰ區(qū)域中控制效果相對(duì)較弱，表現(xiàn)為曲線整體向下平移，Ma=0.9和Ma=1.5時(shí)分別下移幅度約0.1和0.05左右。另外，前緣直板還改變了Ⅱ區(qū)域中靜壓的發(fā)展趨勢(shì)，使得壓力最低點(diǎn)的位置發(fā)生變化，不同來(lái)流條件下腔內(nèi)靜壓的最低點(diǎn)均由基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的x/L=0.42附近移至x/L=0.71，同時(shí)Ⅱ區(qū)域中Cp曲線變化趨勢(shì)也隨之改變，由基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的線性增加，轉(zhuǎn)變?yōu)橄葴p小后增大。腔內(nèi)靜壓的變化狀況說(shuō)明前緣直板流動(dòng)控制主要對(duì)Ⅲ區(qū)域中產(chǎn)生較大作用，并引起Ⅱ區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改變，而對(duì)前部Ⅰ區(qū)域影響相對(duì)較弱。

4.2 油流圖譜

油流圖譜代表了壁面的摩擦力線分布情況，可以有效反映流體在壁面的分離和附著特征，以及附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，因而通過(guò)對(duì)比前緣直板Plate-9流動(dòng)控制前后空腔壁面流譜，可以進(jìn)一步分析前緣直板對(duì)腔內(nèi)流場(chǎng)的影響。圖8和圖9分別給出了Ma=0.9和Ma=1.5來(lái)流條件下基準(zhǔn)狀態(tài)和流動(dòng)控制狀態(tài)腔內(nèi)各壁面的油流圖譜照片。

側(cè)壁照片中空腔上緣處的橫向軌跡反映了剪切層的發(fā)展?fàn)顩r。從圖8(a)和圖9(a)中可以看出：Ma=0.9和Ma=1.5時(shí)，基準(zhǔn)狀態(tài)條件下剪切層均從前緣附近產(chǎn)生并沿空腔上緣向后運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中其厚度逐漸增長(zhǎng)并向腔內(nèi)延伸，其中亞聲速條件下剪切層厚度的增長(zhǎng)率高于超聲速。而流動(dòng)控制狀態(tài)下，空腔側(cè)壁上緣附近基本無(wú)橫向軌跡，流譜主要呈縱向分布，與基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的表現(xiàn)差異較大，這是由于前緣傾斜的直板裝置不僅抬高了剪切層分離點(diǎn)的位置，同時(shí)增強(qiáng)了流體向腔外的速度分量，導(dǎo)致剪切層的運(yùn)動(dòng)高度大幅度上升并從腔外掠過(guò)，因而側(cè)壁的流譜中難以觀察到其流動(dòng)軌跡。

圖8 Ma=0.9時(shí)基準(zhǔn)狀態(tài)和直板Plate-9流動(dòng) 控制條件下空腔壁面油流圖譜 Fig.8 Oil flow patterns on cavity surfaces under basic condition and Plate-9 flow controlling conditions at Ma=0.9

圖9 Ma=1.5時(shí)基準(zhǔn)狀態(tài)和直板Plate-9流動(dòng) 控制條件下空腔壁面油流圖譜 Fig.9 Oil flow patterns on cavity surfaces under basic condition and Plate-9 flow controlling conditions at Ma=1.5

剪切層的抬升導(dǎo)致流體對(duì)后緣的撞擊位置發(fā)生改變。基準(zhǔn)狀態(tài)下剪切層沿流向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在到達(dá)后壁之前已接觸底面，圖8(a)和圖9(a)中底面和后壁上附著點(diǎn)的位置說(shuō)明流向流體撞擊范圍從底面后部延伸至后壁。而在流動(dòng)控制狀態(tài)下，由于剪切層位置的上升以及向腔外速度分量的增加，流體的橫向運(yùn)動(dòng)距離增大，在后緣的撞擊位置也向后推移，從圖8(b)和圖9(b)可以看出流體在后緣的附著區(qū)域主要集中在空腔后壁面，與基準(zhǔn)狀態(tài)相比流體的撞擊范圍顯著縮小，從而進(jìn)入腔內(nèi)的流量也隨之減少。

撞擊空腔后緣后，流體沿底面向前回流。根據(jù)底面流譜中橫向軌跡的顏色，可將回流分為兩部分：回流A沿底面中軸線向前運(yùn)動(dòng)，直至Ⅰ區(qū)域中的分離線，其流動(dòng)軌跡集中在底面中軸線及其兩側(cè)；回流B則沿兩側(cè)壁向前緣流動(dòng)，在Ⅰ區(qū)域中撞擊前壁后改變方向，向底面中軸線匯聚同時(shí)轉(zhuǎn)為沿流向流動(dòng)。通過(guò)Ⅱ區(qū)域底面照片可以看出回流A流譜軌跡的截面寬度遠(yuǎn)大于回流B，說(shuō)明回流A的流量遠(yuǎn)多于回流B，為腔內(nèi)的主要回流。

Ma=0.9來(lái)流條件下，兩部分回流在Ⅰ區(qū)域相撞并發(fā)生流動(dòng)分離，底面圖譜中可以清晰地看見(jiàn)兩者交匯形成的鞍點(diǎn)、分離線以及沿中軸線對(duì)稱的兩個(gè)旋渦分離點(diǎn)?；鶞?zhǔn)狀態(tài)下剪切層在后緣的撞擊范圍較大，底面回流強(qiáng)度也較高，回流A的流量遠(yuǎn)多于回流B，因而Ⅰ區(qū)域中兩部分流體相撞產(chǎn)生的鞍點(diǎn)和分離線的位置趨于前壁，位于x/L=0.2左右(見(jiàn)圖8(a))。而在流動(dòng)控制狀態(tài)下，從后緣進(jìn)入腔內(nèi)的流量減少，導(dǎo)致回流A的強(qiáng)度顯著下降，因而底面鞍點(diǎn)和分離線向右移動(dòng)，從x/L=0.2右移至x/L=0.4附近(見(jiàn)圖8(b))。

Ma=1.5時(shí)，基準(zhǔn)狀態(tài)條件下空腔底面油流圖譜與Ma=0.9時(shí)類似(見(jiàn)圖9(a))，流動(dòng)控制狀態(tài)下，Ⅰ區(qū)域中沿中軸線對(duì)稱的分離線和兩個(gè)旋渦分離點(diǎn)被一個(gè)旋渦分離點(diǎn)取代(見(jiàn)圖9(b))，回流A和回流B共同匯入該分離點(diǎn)，使得底面流譜表現(xiàn)出一定的非對(duì)稱性。超聲速條件下來(lái)流的非穩(wěn)定性較強(qiáng)，而前緣直板又進(jìn)一步放大了流動(dòng)的非穩(wěn)定性，從而引起兩側(cè)回流B的失衡，在前壁附近匯聚的過(guò)程中偏離了中軸線，因而在Ⅰ區(qū)域與回流A的撞擊并不充分，兩者在交匯過(guò)程中形成一個(gè)距離前壁較近的旋渦分離點(diǎn)。

4.3 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)油流圖譜中底面流動(dòng)分離和附著的位置以及側(cè)壁旋渦的形態(tài)定性描繪了Ma=0.9和Ma=1.5條件下腔內(nèi)中軸面上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖10和圖11所示。

基準(zhǔn)狀態(tài)下剪切層在發(fā)展過(guò)程中厚度逐漸增加，最終撞擊空腔底面和后壁，形成后緣高壓和沿底面向前的回流，以及橫跨Ⅰ和Ⅱ區(qū)域的主回流旋渦(圖8(a)和圖9(a)底面照片中Ⅰ區(qū)域的分離線反映了回流區(qū)的范圍)；流動(dòng)控制狀態(tài)下，前緣直板有效地抬高了剪切層，增加了其流向的運(yùn)動(dòng)距離，使得部分流體直接跨過(guò)空腔，從而降低了流體進(jìn)入腔內(nèi)的流量，以及對(duì)后緣的撞擊強(qiáng)度。

圖10 Ma=0.9時(shí)腔內(nèi)流向中軸面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Flow configuration on axis surface of cavity at Ma=0.9

圖11 Ma=1.5時(shí)腔內(nèi)流向中軸面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.11 Flow configuration on axis surface of cavity at Ma=1.5

通過(guò)對(duì)剪切層的抬高作用，前緣直板不僅降低了腔內(nèi)靜壓和后緣逆壓梯度(見(jiàn)圖7)，同時(shí)削弱了腔內(nèi)回流的強(qiáng)度，抑制了回流區(qū)的范圍。Ma=0.9時(shí)底面Ⅰ區(qū)域的分離線在前緣直板的作用下從x/L=0.2附近移動(dòng)至x/L=0.4(見(jiàn)圖8)，反映了主回流旋渦的后移。另外，主旋渦中心壓力較低，在Ⅱ區(qū)域的流場(chǎng)中形成壓力最低點(diǎn)，而隨著主回流旋渦的后移，底面靜壓最低點(diǎn)的位置也隨之向右移動(dòng)，圖7中壓力最低點(diǎn)位置與圖10和圖11中主回流旋渦中心保持一致。

4.4 腔內(nèi)聲壓級(jí)

腔內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生劇烈的壓力脈動(dòng)，從而形成高強(qiáng)度噪聲，利用脈動(dòng)壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果，對(duì)腔內(nèi)噪聲的分布特性進(jìn)行分析。圖12給出了Ma=0.9和Ma=1.5來(lái)流條件下腔內(nèi)總聲壓級(jí)的分布曲線，可以看出基準(zhǔn)狀態(tài)下腔內(nèi)聲壓級(jí)沿流向均成波浪式上升分布，并在空腔后緣分別達(dá)到最大值172.27 dB和172.13 dB。

圖12 基準(zhǔn)狀態(tài)和直板Plate-9流動(dòng)控制條件下 腔內(nèi)聲壓級(jí)分布曲線 Fig.12 Curves of sound pressure level in cavity under basic conditions and Plate-9 flow controlling conditions

在空腔前緣安裝直板Plate-9后，腔內(nèi)噪聲得到有效抑制，尤其在空腔中后部分聲壓級(jí)顯著下降，Ma=0.9和Ma=1.5來(lái)流條件下后緣附近聲壓級(jí)降低幅值分別達(dá)11.13 dB和8.0 dB。在前緣直板流動(dòng)控制條件下，剪切層被大幅度抬高，有效減弱了流體撞擊后緣時(shí)的強(qiáng)度和流量，從而抑制了后緣高強(qiáng)度噪聲的產(chǎn)生。

4.5 聲壓頻譜

空腔后緣附近聲壓級(jí)最強(qiáng)，且前緣直板Plate-9對(duì)后緣處噪聲的抑制效果也十分顯著，因此通過(guò)后緣測(cè)點(diǎn)的聲壓頻譜進(jìn)一步分析腔內(nèi)噪聲的特性。圖13對(duì)比了基準(zhǔn)狀態(tài)和流動(dòng)控制狀態(tài)下后緣附近x/L=0.92處的聲壓頻譜。根據(jù)頻譜曲線的峰值確定腔內(nèi)噪聲的模態(tài)頻率，并利用藍(lán)色虛線在圖13中對(duì)其位置進(jìn)行了標(biāo)注，可以看出在Ma=0.9和Ma=1.5條件下基準(zhǔn)狀態(tài)和流動(dòng)控制時(shí)峰值位置保持一致，說(shuō)明前緣直板對(duì)腔內(nèi)噪聲的模態(tài)頻率基本無(wú)影響。

圖13 空腔后緣附近測(cè)點(diǎn)處的聲壓頻譜Fig.13 Sound pressure level spectra of aft edge in cavity

在空腔前緣安裝直板Plate-9之后，無(wú)論是亞聲速還是超聲速條件下，聲壓頻譜曲線顯著向下平移，寬頻噪聲和峰值噪聲都受到顯著影響。在前緣直板的作用下，寬頻噪聲在低頻范圍內(nèi)(小于1 000 Hz)受到明顯的抑制，該效果隨著頻率的增加逐漸減弱；同時(shí)，腔內(nèi)峰值噪聲的幅值也大幅度降低，尤其是最高峰值(二階模態(tài)峰值)，在Ma=0.9和Ma=1.5來(lái)流條件下分別下降了19.4 dB和22.5 dB。

圖14 基準(zhǔn)狀態(tài)和直板Plate-9流動(dòng)條件下腔內(nèi) 二階模態(tài)噪聲空間分布曲線 Fig.14 Curves of spatial distribution of the second mode noise in cavity under basic and Plate-9 flow controlling conditions

為進(jìn)一步分析前緣直板對(duì)腔內(nèi)峰值噪聲的影響，圖14給出了不同Ma條件下腔內(nèi)二階模態(tài)峰值噪聲幅值在底面的分布曲線。基準(zhǔn)狀態(tài)條件下峰值噪聲在腔內(nèi)呈波浪式分布，而在前緣安裝直板Plate-9之后，峰值噪聲的幅值曲線整體向下平移，Ma=0.9和Ma=1.5時(shí)分別降低11 dB和20 dB以上，表明前緣直板對(duì)峰值噪聲的抑制效果在整個(gè)空腔內(nèi)均十分顯著。峰值噪聲產(chǎn)生于剪切層中非定常運(yùn)動(dòng)對(duì)后緣的周期性撞擊，并以壓力波的形式在腔內(nèi)傳播。由于前后壁面的多次反射，壓力波在腔內(nèi)疊加形成駐波，因而其幅值在空間上呈波浪式分布。前緣直板抬高了剪切層的高度，并削弱了其對(duì)后緣的撞擊作用，從聲源上抑制了峰值噪聲的產(chǎn)生，減小了腔內(nèi)壓力波的強(qiáng)度和駐波的幅值，從而使得峰值噪聲的幅值在整個(gè)腔內(nèi)大幅度下降。

5 結(jié) 論

1) 在前緣直板的作用下，剪切層的位置大幅度抬高，導(dǎo)致與腔后緣的撞擊位置顯著后移，從而削弱流體進(jìn)入空腔的流量及對(duì)后緣的撞擊強(qiáng)度。

2) 前緣直板通過(guò)減少進(jìn)入腔內(nèi)的流量降低了腔內(nèi)靜壓和前后緣的壓差，抑制了回流的強(qiáng)度和范圍，并導(dǎo)致回流旋渦和靜壓低點(diǎn)向下游移動(dòng)。

3) 前緣直板通過(guò)削弱剪切層對(duì)后緣的撞擊強(qiáng)度，有效降低了空腔后壁處的噪聲源強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了空腔內(nèi)聲壓級(jí)的控制，不僅使激振頻率處的峰值噪聲大幅度下降，還使寬頻噪聲也受到明顯抑制。

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