冠状喷口抑制涡扇发动机喷流噪声试验和数值研究

 以揭示发动机喷流噪声声场分布和冠状喷口抑制喷流噪声为目的,对涡扇发动机排气噪声声场和喷流流场进行了试验和数值计算,对比分析不同结构的冠状锯齿对喷流噪声的综合抑制效果。结果表明:采用大涡模拟(LES)、FW-H (Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换的方法,可以预测出喷流噪声的空间分布和声压级值;冠状锯齿产生的阵列流向涡是强化流体间混合、降低喷流速度峰值、抑制喷流噪声的根本所在;在本文研究参数范围内,冠状锯齿结构不仅将排气喷流噪声由原型排气系统的159.6 dB降低到154.3 dB,而且冠状锯齿给喷管带来的损失控制在1.7%以内。锯齿冠状结构对分开排气式大涵道比涡扇排气系统喷流噪声有抑制作用。     

亚声速矩形射流的噪声辐射特性和声源分布

基于射流噪声模拟试验台，对出口面积相同的圆形喷口及宽高比分别为1、1.5、2、10的矩形喷口亚声速射流的远场噪声辐射特性和噪声源分布位置进行了较为系统的研究。通过远场噪声测量，获得了不同宽高比矩形喷口在不同方位角平面的射流噪声频谱分布结果相对于圆形射流的差异，揭示了矩形射流潜在的降噪潜力。通过基于波束成形算法的传声器阵列，得到了矩形射流噪声源峰值位置随频率的变化情况，系统分析了射流速度、方位角、宽高比等参数对矩形射流噪声源分布的影响。射流速度和方位角对矩形射流噪声源分布的归一化结果影响很小，而宽高比对矩形射流噪声源分布有较大影响：随着矩形宽高比的增加，矩形射流低频段噪声源向上游偏移，高频段噪声源向下游偏移。     

圆转矩形大宽高比收敛喷管过渡型面及喷口形式对射流掺混特性的影响

设计了一组宽高比为8的不同形式的矩形喷口, 对其尾喷流掺混特性进行了数值模拟.通过改变圆到矩形过渡段的型面, 在喷管出口下缘加装下挡板以及在侧面加装挡板, 得到了4种不同形式的矩形喷管模型, 分别在相同边界条件下研究了它们的射流掺混特性.结果表明, 加装下档板和侧档板能够有效增强射流掺混, 缩短射流高温区长度.      

不同锯齿对圆转矩形喷管红外辐射特征影响数值模拟

在考虑中心锥、波瓣混合器、火焰稳定器以及加力燃烧室筒体影响的条件下,将轴对称收扩喷管改型设计为圆转矩形基准喷管,进一步在喷管出口进行修型设计.并对不同锯齿喷管流动、换热与红外辐射特征进行了数值分析.得到如下结论:考虑高温部件后,喷管红外辐射强度的方向性特征更加明显;相比圆转矩形基准喷管,采用多个小尺寸锯齿时,射流高温区长度有一定缩短,采用单个大尺寸锯齿时,高温区长度进一步缩短,其正后方红外辐射强度降低;将轴对称收扩喷管改为圆转矩形喷管并加装锯齿后,强化尾喷流与外流掺混,降低其红外辐射强度的同时带来了一定的推力损失.     

波瓣主喷管排气引射系统的试验研究

对比试验研究了4种不同的圆波瓣主喷管和2种二元波瓣主喷管与3种混合管的12种排气引射系统的组合方案的气动和红外辐射性能。结果表明:波瓣主喷管能改善引射系统的性能, 同时波瓣主喷管排气引射系统能够有效地抑制排气系统的红外辐射。圆波瓣与圆混合管、二元波瓣与二元混合管的组合要比它们的交叉组合的性能优越。内外波瓣间距相同的二元波瓣主喷管与相应的二元混合管的组合方案具有最好的综合气动性能和红外辐射的抑制性能。      

复杂变截面S形喷管气动设计与红外辐射特性研究

基于曲率控制设计方法,以某涡喷发动机排气喷管为原型进行了S形喷管的设计;利用CFD软件对不同中心线形式,以及不同喷口形式的S形喷管几何参数对气动力影响进行了数值分析和优化选型。同时,还利用自主开发的软件对喷管在后半球空间内的红外辐射强度进行了数值模拟,研究了喷管出口形状对于喷管红外辐射强度的影响规律。结果表明:按红外抑制效果排列,较好的喷口形状依次是梯形、矩形、椭圆、圆形喷口,梯形喷口S形喷管可使红外辐射峰值缩减60%左右。     

宽高比对尾向可见明火矩形喷管红外抑制特性影响研究

以国外某型先进无人机上使用的涡扇发动机为基础,缩比4.3倍得到轴对称收敛喷管AR0,并在出口面积相同的条件下改变喷口形状得到5组不同宽高比(W/H=1～1)的矩形喷管模型(AR1～AR1).用傅立叶红外光谱仪对喷管与热喷流在3～5 μm波段上的红外辐射进行了测试.研究发现,与轴对称喷管相比,矩形喷管减小了红外源的辐射,起到了明显的红外抑制作用,并且其红外抑制特性随着宽高比的增大是逐渐增强的.      

圆转矩形喷管出口宽高比对射流雷诺剪应力的影响

采用热线风速仪,利用单斜丝,对宽高比W／H分别为1,4,8,12,16的5个圆转矩形收敛喷管和一个轴对称喷管的射流对称面上雷诺剪应力分布特性进行了实验研究。研究发现：在喷口下游不同截面上,射流宽、窄对称面上的雷诺剪应力沿径向均先缓慢增大,到达射流边界后迅速减小,射流边界逐渐沿径向外移。矩形喷管射流相比轴对称射流具有较强的旋流,雷诺剪应力较大,且随着宽高比增大,旋流强度增大,剪应力也逐渐提高,导致了射流与外流掺混增强。宽高比大于8以后,增大幅度逐渐减小。射流宽、窄对称面上的分布规律相同。     

基于FLUENT的不同喷管形状喷流噪声分析

通过简化发动机喷口模型,研究喷管的喷口形状改变后对喷气噪声的影响,针对三种模型,即普通、三角形锯齿以及半圆形锯齿喷管,通过FLUENT软件进行计算分析,并将计算得到的流场以及监测点的声压级进行比较,结果表明,锯齿形尾喷口形状对降低排气噪声较为理想,在最小程度影响出口速度的情况下能减少排气噪声2～6 dB。     

锯齿型喷口抑制热喷流噪声的实验研究

利用位于全消声室中的热喷流噪声实验台对涵道比为5.5的分开式排气系统进行了吹风实验,研究了在热喷流状态下带有挂件的锯齿型喷口对分开式排气系统远声场的影响,进一步分析了锯齿的分布方式以及结构参数对喷流噪声降噪特性的影响。结果表明,锯齿型喷口可以降低喷流低频段的噪声,并且在下游方向具有最好的低频段降噪效果;锯齿的分布方式对降噪效果的影响最大,仅在内涵添加锯齿结构的喷口可以抑制高频噪声的产生,在下游的总声压级降噪量为1.4~2.4d B;齿数的增加可以抑制高频噪声的增加;切入角的变化对降噪效果有一定的影响,但是远小于分布方式的影响。     

波瓣喷管红外抑制系统的实验研究

在电加热风洞上对不同的引射流量比和遮挡间距进行了混合流出口的总温分布和混合管及遮挡套壁面温度分布的测试。结果表明：冷气掺混具有降低排气温度和混合管壁面温度的双重作用,其降温效果在大引射流量比下更为显著;当遮挡间距大于２０ｍｍ时,遮挡隔热可以使遮挡套壁温接近于环境温度。同时,在燃烧设备上对一典型结构的波瓣喷管红外抑制系统进行了尾焰辐射亮度和总体辐射强度测试,证实其可显著地降低红外辐射。     

混合排气二元收敛喷管气动与红外隐身综合设计方法

为使混合排气二元收敛喷管的设计在满足发动机推力性能要求的同时,也具有良好的红外特征信号抑制效果,从固定式混合排气二元收敛喷管的设计要求出发,提出了一套混合排气二元收敛喷管气动与红外隐身综合设计的方法和流程.并通过算例计算验证了该设计方法的可行性.另外,计算结果表明:二元喷管的进口截面位置、喷管总长、出口面积以及出口宽高比等几何参数对实现喷管推力性能均起到关键作用;而合理确定出口宽高比,对实现喷管红外隐身性能具有重要作用.      

球面收敛二元喷管出口三角形锯齿对气动和红外特性的影响

通过数值计算研究，分析了喷管出口锯齿修型对涡扇发动机排气系统球面收敛二元喷管气动及红外特性的影响.结果表明:相对于基准喷管，喷口锯齿修型均造成排气系统推力系数和总压恢复系数的下降，且齿底角越大，推力系数的损失越大.比较而言，内缩型锯齿修型方式对排气系统气动性能的影响最小，但导致排气喷流和总体红外辐射强度在±15°探测角附近的较大增强；外伸型锯齿修型对排气系统气动性能的影响最大；30°齿底角的等面型锯齿修型综合性能较优，对推力系数和总压恢复系数的影响微弱，同时在-30°~0°,0°~30°的探测视角内体现出一定的红外辐射抑制作用.      

遮挡板结构对二元喷管红外辐射特性的影响

在宽高比3.33的圆转矩形二元喷管的出口处安装下遮挡板,通过基于计算流体动力学/红外辐射(CFD/IR)数值模拟的方法来研究遮挡板结构对喷管壁面和尾焰的红外辐射强度的抑制效果.研究表明带狭缝气膜冷却的双层遮挡板对排气系统的红外辐射具有更为显著的抑制效果.     

二元波瓣喷管排气引射系统的试验研究

通过７种二元波瓣喷管排气引射系统的对比试验,研究了二元波瓣喷管的波瓣结构形状、排列方式和间距等参数对排气引射系统气动性能的影响。试验结果表明：错列二元波瓣喷管引射性能和强化混合性能比对列的好,但其压力损失系数比对列的大;波瓣内外间距相同的二元波瓣喷管比波瓣内间距为外间距两倍的气动性能好;波瓣切口错列的二元波瓣喷管的引射性能和强化混合性能最好,但其压力损失系数也最大。在各组合方案中,波瓣间距相同对列的二元波瓣喷管与带有多套环结构的混合管组成的排气引射系统综合气动性能最好     

加遮挡罩二元喷管红外辐射特性数值研究

采用计算流体动力学/红外辐射数值计算方法,针对涡扇发动机排气系统,研究了宽高比为3.33的圆转矩形二元喷管尾缘加装遮挡罩以及遮挡罩夹层通道注入冷却气流对红外辐射特性的影响.研究参数范围内的结果表明:遮挡罩内引射或强迫注气的冷却气流对喷流有进一步混合的作用,加装遮挡罩后喷流的红外辐射强度相对于单纯的二元喷管有一定幅度的降低;随着冷却气流流量的增大,二元喷管尾缘内壁面的温度降低效果越显著,有效地利用喷管的引射作用,可以取得良好的红外抑制效果;只有在喷管内壁面红外辐射占主导的探测范围内,加装遮挡罩抑制二元喷管红外辐射的作用才能得到体现.      

大宽高比矩形喷管的射流与外流掺混特性的数值研究

用数值计算的方法 ,研究了宽高比分别为 1 ,4,8,1 2和 1 6的矩形喷管射流与外流的掺混特性 ,并与等面积的轴对称喷管进行了比较。研究表明 ,矩形喷管与轴对称喷管相比 ,射流核心区长度较短 ,射流中心线上速度和温度衰减较快 ,掺混明显强于轴对称喷管 ,并且随着宽高比的增加 ,这种趋势是逐渐增强的      

加遮挡板后二元喷管的红外辐射特性数值模拟

在宽高比为6.33的圆转矩形二元喷管喷口处安装不同结构的下遮挡板。通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)综合数值模拟的方法,获得加遮挡结构后二元喷管的红外辐射场分布特征,并对不同遮挡结构的红外辐射抑制效果进行比较。结果表明:遮挡板结构改变了二元喷管原有的对称结构的辐射场分布。它对喷管的尾焰以及内外壁面产生的红外辐射在-90°~0°方向上有着较好的抑制作用。尾焰红外辐射强度最多降低51%,喷管内壁面红外辐射被完全遮挡。而双层遮挡结构可以削弱二元喷管-90°~0°方向43%的总体红外辐射,与此同时却增强了0°~90°方向40%的红外辐射。     

波瓣式主喷管排气引射系统的高速冷态推力特性试验研究

对基准圆柱收敛喷管、五种波瓣主喷管、以及波瓣主喷管与带扩压段的混合管和不带扩压段的混合管所组成的不同排气引射系统进行了推力随喷管前压力(0.15～0.5MPa)变化的特性试验。试验结果表明:波瓣主喷管排气引射系统在高速排气条件下也具有较好的应用前景;但在设计上,必须考虑高速,尤其是超音排气的气动特点所带来的相关问题。      

波瓣混合器喷流降噪技术实验

在消声室内的喷流噪声实验台上,对大涵道比涡扇发动机混合式排气系统缩比模型进行了冷喷流噪声实验,以环形混合器为基准,研究了采用波瓣混合器的喷管喷流远声场频谱特性和降噪效果.研究结果表明:与采用环形混合器的基准型喷管相比,波瓣混合器喷管在低频段有很好的降噪效果但高频段的声压级有所升高,波瓣混合器喷管下游方向(θ=150°)的总声压级明显降低而中游方向和上游方向的总声压级升高.随着波瓣混合器出口处内外涵气流速度差的增大,波瓣混合器喷管低频段的降噪效果越来越明显但高频段声压级的升高也会不同程度地增大,在波瓣混合器喷管下游方向(θ=150°)的总声压级降低更加明显的同时中游方向和上游方向的总声压级也有所升高.