外涵氣流對(duì)內(nèi)涵氣流噪聲影響的數(shù)值研究

張正偉，劉亞楠，石飛云

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽 621000)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲中，噴流噪聲是最主要的噪聲源[1-2]，其對(duì)人體健康有重大危害，實(shí)際工程應(yīng)用中需大幅降低。針對(duì)降低噴流噪聲這一難題，國內(nèi)外開展了大量的研究。研究認(rèn)為，噴流噪聲功率與噴流速度的8次方成正比[3]，噴流噪聲抑制的關(guān)鍵是采取有效技術(shù)措施強(qiáng)化射流摻混[4]，降低射流和周圍大氣摻混的速度梯度[5]。速度梯度的大小反映了速度不一致的流體微團(tuán)間剪切程度的強(qiáng)弱[6]，大的速度梯度的存在必然導(dǎo)致流體間的強(qiáng)剪切，使得噪聲源強(qiáng)度也隨之增加[7]。目前，主要的降噪措施有采用內(nèi)外涵波瓣混合器、鋸齒冠狀噴管混合器等。

本文提出一種降低噴流噪聲的方法，即在高速的內(nèi)涵射流外圍包裹一圈低速的外涵氣流，在降低內(nèi)涵氣流噪聲的同時(shí)，也增大了內(nèi)涵噪聲向外傳播的阻尼，從而使噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)減小。研究中采用CFD/CAA方法，計(jì)算了外涵氣流參數(shù)對(duì)內(nèi)涵總聲壓級(jí)的影響規(guī)律，獲得了使內(nèi)涵總聲壓級(jí)最小的外涵氣流參數(shù)值。

2 計(jì)算方法與計(jì)算模型

在非穩(wěn)態(tài)CFD 流場的基礎(chǔ)上通過求解Ffowcs Williams-Hawhings(FW-H)方程，對(duì)聲源控制面或控制區(qū)域內(nèi)積分獲得某點(diǎn)的遠(yuǎn)場噪聲是計(jì)算聲學(xué)的基本過程。本文的非穩(wěn)態(tài)流場采用大渦模擬方法對(duì)FW-H 方程進(jìn)行數(shù)值模擬，其基本思想是對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)直接進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)小尺度運(yùn)動(dòng)做模型假設(shè)。大渦模擬的第一步是過濾掉小尺度脈動(dòng)。濾波后的連續(xù)性方程和N-S方程可表示為[8]：

假定用各向同性濾波器過濾掉的小尺度脈動(dòng)是局部平衡的，則可以采用渦黏形式的Smagorinsky亞格子雷諾應(yīng)力模型求解亞格子應(yīng)力[9]：

FW-H方程是利用廣義函數(shù)理論將連續(xù)性方程與N-S 方程重新整理為非均勻波動(dòng)方程的形式[10]，可以寫成如下形式：

計(jì)算非穩(wěn)態(tài)流場的時(shí)間步長為0.000 005 s，每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)迭代25 步，共計(jì)算10 000 個(gè)時(shí)間步長。計(jì)算模型如圖1所示，r為內(nèi)涵半徑，r+d為外涵半徑，d為外涵氣流層厚度。經(jīng)傅里葉變換，得到非穩(wěn)態(tài)湍流流場每個(gè)噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)。噪聲接收點(diǎn)位于以氣流出口截面中心為圓心、半徑為5 m的圓周上，從-90°到90°，每間隔15°布1 個(gè)接收點(diǎn)，共13個(gè)接收點(diǎn)，如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖Fig.1 Computational model

圖2 噪聲接收點(diǎn)位置示意圖Fig.2 The position of noise receiver

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 外涵氣流層厚度對(duì)噪聲屏蔽效果的影響

為了研究外涵氣流層厚度對(duì)噪聲屏蔽效果的影響，計(jì)算了相同內(nèi)涵半徑(50 mm)、不同外涵氣流層厚度(0，25，50，75 mm)的總聲壓級(jí)分布。表1給出了計(jì)算邊界條件。

表1 不同外涵氣流層厚度時(shí)的邊界條件Table 1 Boundary conditions of different bypass distances

圖3示出了不同外涵氣流層厚度時(shí)子午面的速度云圖?？煽闯觯夂瓪饬鞯拇嬖谠黾恿藘?nèi)涵氣流射流核心區(qū)的范圍，且外涵氣流層厚度越大，內(nèi)涵氣流射流核心區(qū)的范圍就越大。

圖3 不同外涵氣流層厚度與內(nèi)涵半徑比時(shí)子午面速度云圖Fig.3 Velocity contour in symmetrical plane of different model

圖4示出了不同外涵氣流層厚度對(duì)總聲壓級(jí)的影響。可看出，無外涵氣流層(d/r=0)時(shí)，總聲壓級(jí)最大(0°位置)為145.1 dB；有外涵氣流層后，總聲壓級(jí)降低。d/r=0.5 時(shí)，總聲壓級(jí)最大(0°位置)為139.4 dB，減小了5.7dB；d/r=1.0 時(shí)，總聲壓級(jí)最大(0°位置)為135.9 dB，減小了9.2 dB；d/r=1.5 時(shí)，總聲壓級(jí)最大(0°位置)為145.6 dB，增大了0.5 dB。這表明并不是外涵氣流層厚度越厚總聲壓級(jí)的降低量就越大。就其原因，外涵氣流本身也是一個(gè)噪聲源，隨著外涵氣流層厚度增厚，射流核心區(qū)面積增大，與周圍大氣的摻混面積變大，產(chǎn)生的噪聲也越來越大，甚至超過了外涵氣流對(duì)內(nèi)涵氣流的屏蔽作用。此外，由圖還可知，其他條件相同時(shí)，不同角度位置的噪聲強(qiáng)度不同，0°位置總聲壓級(jí)最大，90°和-90°位置總聲壓級(jí)最小，相差18～24 dB。這可解釋為，無外涵氣流時(shí)，內(nèi)涵高馬赫數(shù)氣流直接與周圍大氣摻混，較高的速度梯度產(chǎn)生了強(qiáng)烈的噪聲。但在內(nèi)涵氣流與周圍大氣中加入外涵氣流后，內(nèi)涵氣流與外涵氣流較低的速度梯度產(chǎn)生低的摻混噪聲，速度梯度越小，噪聲越?。煌夂瓪饬髋c周圍大氣較低的速度梯度產(chǎn)生了低的摻混噪聲。這兩部分的速度梯度小于內(nèi)涵氣流直接與周圍大氣混合的速度梯度。

圖4 不同外涵氣流層厚度時(shí)的總聲壓級(jí)分布圖Fig.4 OASPL of different bypass distances

3.2 外涵氣流與內(nèi)涵氣流馬赫數(shù)之比對(duì)噪聲屏蔽效果的影響

內(nèi)涵氣流馬赫數(shù)Ma1為0.77、外涵氣流層厚度為100 mm(d/r=1.0)時(shí)，改變外涵氣流馬赫數(shù)Ma2，計(jì)算不同外涵氣流馬赫數(shù)對(duì)總聲壓級(jí)的影響。計(jì)算邊界條件如表2所示。

表2 不同內(nèi)外涵氣流馬赫數(shù)比時(shí)的邊界條件Table 2 Boundary conditions of different Mach number ratios

圖5給出了不同內(nèi)外涵氣流馬赫數(shù)比時(shí)各噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)。由圖可知，當(dāng)外涵氣流與內(nèi)涵氣流馬赫數(shù)之比為0.26，0.39，0.52，0.65時(shí)，總聲壓級(jí)最大值(0°位置)分別為136.0，133.5，132.7，135.9 dB，與無外涵氣流時(shí)的相比分別降低了9.1，11.6，12.4，9.2 dB。很顯然，本研究中，當(dāng)外涵氣流馬赫數(shù)為內(nèi)涵氣流馬赫數(shù)的0.5倍時(shí)，能使內(nèi)涵氣流和外涵氣流的速度梯度以及外涵氣流與周圍大氣的速度梯度達(dá)到最小，噪聲源強(qiáng)度最小。

圖5 不同外涵氣流馬赫數(shù)時(shí)的總聲壓級(jí)分布圖Fig.5 OASPL of different bypass Mach numbers

3.3 外涵氣流與內(nèi)涵氣流總溫之比對(duì)噪聲屏蔽效果的影響

內(nèi)涵氣流馬赫數(shù)為0.77，外涵氣流馬赫數(shù)為0.50，外涵氣流層厚度為100 mm(d/r=1.0)時(shí)，改變外涵氣流總溫(T2)，計(jì)算不同氣流總溫比(T2/T1，T1為內(nèi)涵氣流總溫)對(duì)總聲壓級(jí)的影響。計(jì)算邊界條件如表3所示。

表3 不同內(nèi)外涵氣流總溫比時(shí)的邊界條件Table 3 Boundary conditions of different total temperature ratios

圖6給出了不同外涵氣流總溫時(shí)各噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)。計(jì)算結(jié)果表明，外涵氣流總溫也是影響外涵氣流對(duì)內(nèi)涵噪聲源阻尼效果的關(guān)鍵因素。當(dāng)外涵氣流與內(nèi)涵氣流總溫之比從0.14 增加到1.00時(shí)，0°位置總聲壓級(jí)先明顯減小再到略有減小，90°位置總聲壓級(jí)為略有減小到增大較多；0°位置總聲壓級(jí)分別為139.5，135.0，135.9，138.5 dB，90°位置總聲壓級(jí)分別為115.1，114.4，117.3，122.1 dB。外涵氣流與內(nèi)涵氣流總溫之比為0.42 時(shí)，噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)最低，其中0°位置總聲壓級(jí)比無外涵氣流時(shí)的降低了10.1 dB。可解釋為，外涵氣流本身也是噪聲源，其總溫越高，噪聲強(qiáng)度越大。隨著外涵氣流總溫的升高，其對(duì)內(nèi)涵氣流噪聲的阻尼作用也增大。當(dāng)外涵氣流總溫達(dá)到300 K(T2/T1=0.42)以上時(shí)，外涵氣流噪聲源的增大效果強(qiáng)于外涵氣流對(duì)內(nèi)涵氣流的阻尼效果，導(dǎo)致噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)增大。當(dāng)外涵氣流總溫為300 K(T2/T1=0.42)以下時(shí)，外涵氣流對(duì)內(nèi)涵氣流的阻尼效果大于外涵氣流噪聲源的增強(qiáng)效果，導(dǎo)致噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)減小。外涵氣流總溫為300 K(T2/T1=0.42)時(shí)，噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)最低。

圖6 不同外涵氣流總溫時(shí)的總聲壓級(jí)分布圖Fig.6 OASPL of different bypass total temperatures

4 結(jié)論

利用CFD/CAA方法，研究了外涵氣流參數(shù)對(duì)內(nèi)涵氣流總聲壓級(jí)的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 增大外涵氣流，內(nèi)涵氣流噪聲源強(qiáng)度減小，同時(shí)外涵氣流對(duì)內(nèi)涵氣流噪聲的阻尼作用增大，外涵氣流對(duì)內(nèi)涵氣流噪聲起到了屏蔽作用，噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)降低。

(2) 隨外涵氣流層厚度增大，射流核心區(qū)范圍也增大。外涵氣流層厚度與內(nèi)涵氣流半徑之比為1.0 時(shí)，外涵氣流對(duì)內(nèi)涵氣流噪聲的屏蔽效果最好，噪聲接收點(diǎn)0°位置總聲壓級(jí)降低了9.2 dB。

(3) 外涵氣流與內(nèi)涵氣流馬赫數(shù)之比為0.52時(shí)，內(nèi)涵氣流與外涵氣流的速度梯度以及外涵氣流與周圍大氣的速度梯度達(dá)到最小，噪聲源強(qiáng)度最小，噪聲接收點(diǎn)0°位置總聲壓級(jí)降低了12.4 dB。

(4) 外涵氣流與內(nèi)涵氣流總溫之比為0.42且外涵氣流總溫為300 K 時(shí)噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)最低，此時(shí)外涵氣流對(duì)內(nèi)涵氣流的阻尼效果大于外涵氣流噪聲源的增強(qiáng)效果。