某航空部件的排氣噪聲預(yù)測(cè)研究

楊 泳，連 潔，向宏輝，徐開(kāi)俊

(1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 飛行技術(shù)學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.成都航利(集團(tuán))實(shí)業(yè)有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)一部，四川 彭州 611936；3.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院 葉輪機(jī)試驗(yàn)研究室，四川 江油 621703)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，民眾對(duì)噪聲控制的要求越來(lái)越高。在現(xiàn)實(shí)生活中，日益加重的排氣噪聲(也稱(chēng)噴流噪聲)不僅成為重要的污染源，而且有可能造成航空部件結(jié)構(gòu)的聲疲勞破壞，從而導(dǎo)致重大航空事故，排氣噪聲污染在機(jī)場(chǎng)附近尤為嚴(yán)重。

空氣由航空器高速?lài)娏鬟M(jìn)入靜止或速度較慢的氣體時(shí)，會(huì)與其急劇混合，使得射流邊界層中形成強(qiáng)烈的湍流脈動(dòng)，并引起區(qū)域內(nèi)壓力的起伏變化，導(dǎo)致?lián)交煸肼暤漠a(chǎn)生。此外，如果空氣流動(dòng)時(shí)有激波出現(xiàn)，由于噴流邊界的不穩(wěn)定，也會(huì)造成激波的不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生激波噪聲。影響噪聲特性的主要因素包括噴流尺寸、密度和速度，其中實(shí)時(shí)速度起著決定性作用。此外由于湍流旋渦在尺度和強(qiáng)度上的連續(xù)擴(kuò)展，也使得排氣噪聲具有寬頻特征[1-3]。1949年至1952年，英國(guó)科學(xué)家Lighthill等以噴流噪聲為研究對(duì)象，建立了氣動(dòng)聲學(xué)基本方程(Lighthill方程[4])，從而在理論上揭示了噴流乃至流體發(fā)聲的機(jī)制。之后，其他一些研究者繼續(xù)深入研究，發(fā)展建立了比Lighthill原始方程更為精細(xì)的流動(dòng)噪聲方程，其中包括聲源區(qū)非均勻平均流場(chǎng)對(duì)噪聲產(chǎn)生影響的Phillips方程、Lilley方程和Powell的渦聲方程以及由Crow和Lauvstad等研究出的匹配漸進(jìn)展開(kāi)方法[5]。

目前氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)方法有三種，即解析法、計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)法(CAA)和經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)法。由于產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的機(jī)理較為復(fù)雜，其特性與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，且噪聲源往往都是三維粘性并伴隨不同尺度渦系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜非定常流場(chǎng)，因此解析法一般只用于定性分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)。此外，因流場(chǎng)與聲場(chǎng)的計(jì)算尺度和精度不同，如流場(chǎng)壓力尺度為Pa，且1階、2階精度即可滿足工程要求，而聲場(chǎng)壓力尺度是10-5Pa級(jí)，計(jì)算精度更是要求達(dá)到4階以上。當(dāng)計(jì)算域較大時(shí)，流場(chǎng)和聲場(chǎng)要同時(shí)獲得較為精確的解，所需網(wǎng)格數(shù)量將會(huì)非常龐大，即使在計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的今天，硬件資源也是無(wú)法完全勝任的。故采用經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)的方法，至少在目前看來(lái)是最為行之有效的，如波音與空客公司廣泛采用的ANOPP噪聲預(yù)測(cè)程序就正是基于此種方法[6]。

本文以某航空部件試驗(yàn)器排氣系統(tǒng)(具有二級(jí)引射結(jié)構(gòu))為研究對(duì)象，采用仿真的技術(shù)手段，對(duì)噪聲源和聲傳播分別進(jìn)行處理，先通過(guò)流場(chǎng)數(shù)值仿真得出擬聲源，然后采用波動(dòng)理論求解其傳播，從而達(dá)到預(yù)測(cè)噪聲強(qiáng)度的目的。

1 聲源求解

采用FLUENT商業(yè)CFD軟件進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，通過(guò)后處理的數(shù)據(jù)和圖表得出所需截面流場(chǎng)參數(shù)并將結(jié)果作為輸入?yún)?shù)。根據(jù)聲功率與流體速度8次方成正比的關(guān)系及排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，初步判斷噪聲源集中在閥門(mén)及一、二級(jí)引射器處。故排氣系統(tǒng)噪聲源可分為閥門(mén)噪聲、摻混噪聲，在噴流產(chǎn)生激波的條件下還伴有激波噪聲。

1.1 閥門(mén)噪聲

幾個(gè)與閥門(mén)狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義可參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算得出出口絕對(duì)壓力值，判斷閥門(mén)處于何種狀態(tài)，并選取相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算輻射聲功率。將閥門(mén)的總聲功率按1/3倍頻程展開(kāi)，頻帶中心頻率fi的范圍為50～31500 Hz[7]。

聲壓級(jí)頻譜：

(1)

其中，Wref=10-12W為參考功率，fp為峰值頻率。

聲功率頻譜為：

Wv(fi)=Wref10SWL(fi)/10

(2)

1.2 摻混噪聲

實(shí)際射流由于溫度往往很高，造成流體密度較常溫時(shí)有很大區(qū)別，所以在摻混噪聲預(yù)測(cè)過(guò)程中需考慮溫度影響因素。此外，摻混噪聲一般認(rèn)為是由噴流內(nèi)部湍流脈動(dòng)微團(tuán)發(fā)出的，這些微團(tuán)在發(fā)聲的同時(shí)還存在著對(duì)流運(yùn)動(dòng)，故還需考慮對(duì)流效應(yīng)對(duì)總聲壓級(jí)的影響?？偮晧杭?jí)[8-9]可表示為：

(3)

其中，ρISA及cISA為標(biāo)準(zhǔn)大氣密度和聲速，ca表示音速，ρa(bǔ)表示音速下的大氣密度，Vj、Aj、ρj分別是充分膨脹射流的速度、面積與密度，MC=kVj/ca，Larson[10]給出的值為0.2，R表示射流距聲源距離。

指數(shù)因子ω的計(jì)算式為：

(4)

此外，由于主射流和引射射流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將等效地使射流實(shí)際速度減小，同時(shí)流體間的剪切作用也會(huì)減弱，因此需引入相關(guān)修正項(xiàng)。

(5)

(6)

其中，V0為壓力平衡截面引射射流平均速度。

修正后的摻混噪聲總聲壓級(jí)：

OASPL=OALPLS+ΔD+ΔSO

(7)

同時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成了Strouhal數(shù)的修正：

(8)

其中，θ′=θ(Vj/ca)0.1，D=4Aj/π，f表示基帶中心頻率，M0=V0/ca表示飛行馬赫數(shù)，β表示發(fā)動(dòng)機(jī)飛行攻角，Tj表示充分膨脹射流的溫度，Ta表示音速下的大氣溫度。

按1/3倍頻程展開(kāi)，頻帶中心頻率fi的范圍為50～31500 Hz，不同頻率和指向角下的聲壓級(jí)SPL(f,θ)由以下函數(shù)求得：

SPL-OASPL=F(lgS)

(9)

其中，函數(shù)F由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定，具體函數(shù)對(duì)應(yīng)值可查閱相關(guān)數(shù)據(jù)表[10]。

1.3 激波噪聲

激波噪聲預(yù)測(cè)首先視流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果而定，即聲源處是否有激波存在。計(jì)算基于Stone模型[11-12]，它是在Harper-Borne & Fisher的激波/湍流干涉噪聲理論模型[13]的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，是目前最為常用的噪聲預(yù)測(cè)模型之一。在考慮了相對(duì)速度、大氣條件等因素后的激波噪聲總聲壓級(jí)為：

(10)

其中，θM=arcsin(1/Mj)，Mj、Aj分別是充分膨脹射流的馬赫數(shù)、面積，指向性函數(shù)F為：

(11)

2 外聲場(chǎng)計(jì)算

由于引射器的進(jìn)口是開(kāi)放的，這是噪聲外傳的主要地方，較透過(guò)管壁向外輻射的噪聲大很多。故計(jì)算中實(shí)際隱含了一個(gè)假設(shè)條件，即噪聲都是通過(guò)開(kāi)口處向外傳播的。排氣系統(tǒng)管道內(nèi)噪聲傳播途徑如圖1所示。

圖1 排氣系統(tǒng)管道內(nèi)噪聲傳播途徑

一級(jí)引射器進(jìn)口向外輻射的聲功率主要有：閥門(mén)噪聲沿管道進(jìn)入一級(jí)引射管后，部分聲功率WVηV(ηV為閥門(mén)噪聲輻射系數(shù)，計(jì)算中取0.1[14])從此處外傳；一級(jí)引射射流部分(0～90°指向角范圍內(nèi))噪聲聲功率W1前傳向上游傳播并泄露。二級(jí)引射器進(jìn)口向外輻射的聲功率主要為：閥門(mén)噪聲經(jīng)一級(jí)引射入口外泄后，剩余聲能繼續(xù)向后傳播并部分從二級(jí)引射器入口傳出，外傳量為WV(1-ηV)ηV；一級(jí)引射噪聲在90～180°指向角范圍內(nèi)并從二級(jí)引射器入口處向外泄露聲功率W1后傳ηE(ηE為引射噪聲輻射系數(shù)也取0.1)；二級(jí)引射噪聲在0～90°指向角范圍向上游傳播聲功率W2前傳。

總排氣口向外輻射的聲功率包括：閥門(mén)噪聲經(jīng)一、二級(jí)引射入口泄漏后的剩余聲功率WV(1-ηV)2；一級(jí)引射后傳噪聲經(jīng)二級(jí)引射器入口泄漏后的剩余聲功率W1后傳(1-ηE)；二級(jí)引射噪聲在90～180°指向角范圍內(nèi)向下游傳播聲功率W2后傳。為了進(jìn)行不同聲源的噪聲疊加，需將前面計(jì)算得到的聲壓級(jí)結(jié)果轉(zhuǎn)化為聲功率。

(12)

圖2 聲場(chǎng)計(jì)算示意圖

此步驟在程序中是采用梯形公式計(jì)算得到的，且指相角以5°為步長(zhǎng)。采用點(diǎn)聲源假設(shè)，并根據(jù)球面波傳播特性計(jì)算A、B補(bǔ)氣口處聲壓級(jí)，聲場(chǎng)計(jì)算示意圖如圖2所示。

計(jì)算公式如下：

(13)

其中，LA、LB分別表示一級(jí)引射器入口和二級(jí)引射器入口到A(或B)補(bǔ)氣口的距離。

總聲功率由各個(gè)頻帶下聲功率之和給出：

(14)

從補(bǔ)氣口向外輻射的聲功率：

(15)

其中，SA/B為補(bǔ)氣口A或B的面積。

試驗(yàn)室外環(huán)境噪聲主要來(lái)源于兩處補(bǔ)氣口和總排氣口，其總聲壓級(jí)為：

(16)

其中，Δair為大氣吸收效應(yīng)項(xiàng)，具體值需查閱相關(guān)數(shù)據(jù)表[14]。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

該民用壓氣機(jī)、燃燒室試驗(yàn)器模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況, 工作時(shí)氣流流量可達(dá)到120 kg/s，排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該排氣系統(tǒng)采用兩級(jí)引射設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)器的氣流首先被收集到集氣蝸殼中，隨后通過(guò)主排氣管道上的調(diào)節(jié)閥門(mén)由主噴管排入到一級(jí)引射器內(nèi)，經(jīng)過(guò)和引射流的摻混后，排氣氣流的總溫、總壓降低，之后進(jìn)入引射器內(nèi)進(jìn)一步摻混，最終排出到廠房外。由于從試驗(yàn)器直接排出的氣流速度大，總溫、總壓高，因此直接將氣流從出口處排入室外大氣中是不可取的，而經(jīng)過(guò)了兩級(jí)引射器的作用后，排氣氣流總溫和總壓大大降低。為了適應(yīng)這種排氣系統(tǒng)，防止廠房?jī)?nèi)因引射吸氣而導(dǎo)致負(fù)壓過(guò)高，在試驗(yàn)臺(tái)廠房頂部增設(shè)了兩個(gè)補(bǔ)氣口。考慮到廠房?jī)?nèi)部噪聲會(huì)經(jīng)過(guò)這些開(kāi)口向室外自由空間輻射，因此在二級(jí)引射器出口和兩個(gè)補(bǔ)氣口處均增設(shè)了消聲降噪設(shè)施。

根據(jù)上述試驗(yàn)器排氣系統(tǒng)噪聲的模型，在Windows .net平臺(tái)下采用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并對(duì)各種工況下各位置噪聲的總聲壓級(jí)及頻譜圖進(jìn)行了計(jì)算。選取試驗(yàn)器的最大工況(進(jìn)口流量120 kg/s，壓力3 MPa，溫度850 K)的各位置噪聲的總聲壓級(jí)如表1所示，噪聲頻譜圖如圖3所示。

表1 各位置噪聲總聲壓級(jí)

(a)補(bǔ)氣口A

(b)補(bǔ)氣口B

(c)總排氣口C

計(jì)算結(jié)果表明：(1)由于排氣系統(tǒng)氣流速度很大導(dǎo)致噪聲過(guò)高，如補(bǔ)氣口噪聲聲壓級(jí)大于140 dB，總排氣口附近噪聲更是高達(dá)160 dB以上。(2)補(bǔ)氣口與總排氣口的噪聲峰值頻率均為400 Hz左右。

因此，可增大主排氣管道通徑以減小排氣速度或在保證引射流量的前提下，改二級(jí)引射為一級(jí)引射以減少噪聲源，同時(shí)考慮主噴管出口和引射器入口相對(duì)位置的影響，并對(duì)引射器入口采取一定的型面設(shè)計(jì)，減少噪聲泄露量，以達(dá)到降噪目的。此外，可在引射器內(nèi)壁面鋪設(shè)一定尺寸結(jié)構(gòu)的聲襯，以達(dá)到對(duì)400 Hz附近頻率段噪聲有效吸收的目的[15]。

4 結(jié)論

論文以某試驗(yàn)器排氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)仿真的技術(shù)手段，對(duì)噪聲源和聲傳播分別進(jìn)行處理計(jì)算。結(jié)果表明排氣系統(tǒng)氣流速度很大導(dǎo)致噪聲過(guò)高，如補(bǔ)氣口噪聲聲壓級(jí)大于140 dB，總排氣口附近噪聲更是高達(dá)160 dB以上。補(bǔ)氣口與總排氣口的噪聲峰值頻率均為400 Hz左右，這些計(jì)算結(jié)果將對(duì)于該試驗(yàn)件減噪提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和技術(shù)支持。