后缘修型对空腔流场特性影响分析

本文以风洞试验为手段,在高速风洞中对空腔流场特性进行了较为深入的研究,通过对空腔底部静态压力以及脉动压力的测量,分析后缘修型对腔底流场特性的影响。研究结果表明,后缘修型对空腔流场特性影响随修型半径增大而增强;当空腔流场类型为开式穴流动、过渡式穴流动和闭式穴流动,后缘修型对腔内静态压力分布的影响不大,而当空腔流场为过渡—开式穴流动时,后缘修型可能使空腔的流场类型发生转变并使静态压力梯度明显增大;研究结果还表明,后缘修型能有效降低腔内的噪声强度,但对空腔能量尖峰的抑制效果会因试验条件的改变而产生差异。     

超声速空腔流动波系演化及噪声控制研究进展

空腔结构在先进飞行器和动力装置中应用十分广泛,如飞机内埋武器舱、起落架舱、导弹光学头罩、超燃冲压发动机燃烧室、推力矢量发动机喷口等。这些空腔结构在实际应用中普遍面临严峻的气动噪声问题。研究表明,空腔噪声的产生与腔内非定常流动和复杂波系结构关系密切。对超声速空腔流致噪声已开展的研究进行综述,从而为系统地认识波系结构的演化规律、噪声产生机理和噪声控制机理提供参考。首先,介绍了闭式、过渡式和开式3种不同类型超声速空腔流动的主要特点,针对气动噪声最为严重的开式空腔流动,分析了7种典型波系结构形成、传播和相互作用等规律。然后,从空腔压力振荡反馈回路的4个关键环节出发,分析了当前广泛应用的3种压力反馈模型的异同。最后,总结梳理了超声速空腔噪声控制的5条路径,指出在第5条控制路径"干扰反馈激波的传播"研究方面存在的不足。并指出了当前研究存在的部分问题,就未来研究方向提出了建议。     

高亚声速空腔绕流气动噪声特性研究

通过分析空腔底面中心线上声压级分布与不同测点声压频谱特性,着重研究了高亚声速空腔绕流的气动噪声特性。空腔模型长深比分别为6、10和15,自由来流马赫数为0.8,基于每米的雷诺数为1.55×107,测量的空腔前缘的边界层厚度为0.034m。结果表明:空腔后缘处于噪声产生区,声压级较高;闭式和过渡式空腔因深度较小,来流剪切层触及了空腔底面,干扰了从腔后壁向腔前壁的噪声反馈回路,限制了腔内流动自激振荡的形成;开式空腔深度较大,剪切层直接跨过空腔中部、撞击腔后壁,并产生强烈噪声,噪声从腔后壁通过空腔向前壁的反馈回路未受到干扰,故腔内流动出现自激振荡和多个声压峰值频率。     

开式空腔气动声学特性及其流动控制方法

在高速风洞中对空腔流场气动声学特性进行了试验研究,采用剪切层扰流法对流场进行流动控制,空腔长深比为4.1。通过对空腔流场的脉动压力试验结果分析,研究了亚、跨声速条件下开式空腔流场的气动声学特性及气动噪声抑制效果,对开式空腔流场气动噪声形成机制及流动控制机理进行了分析。试验结果表明:开式空腔流场气动声学环境恶劣,最大总声压级(OSPL)高达177dB;开式空腔流场存在强烈的自持振荡,声压频谱曲线上存在多个不同模态的单调声;亚声速条件下,采用剪切层扰动法进行流动控制可导致空腔流场气动声学环境更加恶劣;跨声速时,采用剪切层扰动法进行流动控制使空腔流场气动声学环境明显改善。     

前缘直板扰流对高速空腔的降噪效果分析

高速空腔复杂流动和噪声一直是航空航天领域所关注的问题,高强度的空腔噪声不仅影响腔内仪器设备的正常运行,还会对其自身的结构产生疲劳破坏,进而影响飞行器的飞行安全和品质,因此空腔噪声的抑制研究和典型控制方法的降噪效果分析对提高飞行器结构安全性意义重大。本文通过开展高速风洞试验研究跨超声速（Ma=0.9和Ma=1.5）来流条件下前缘直板装置对空腔（长深比为6）流动和噪声的控制机理,通过对比多种前缘直板控制条件下的腔内噪声声压级（SPL）分布,确定直板控制参数的优化选择方法及最优参数;利用静态/动态压力传感器和油流试验采集腔内静压、脉动压力和壁面流谱,着重分析前缘直板对腔内流动结构、声压级和声压频谱的影响规律。结果表明：前缘直板可以大幅度抬高剪切层的位置,使得后缘的撞击区域后移,从而削弱流体进入腔内的流量和强度;可以有效降低腔内静压、减小回流强度和范围,对腔内声压级和峰值噪声也具有显著的抑制效果,Ma=0.9和Ma=1.5时后缘声压级降低幅值可达11.13 dB和8.0 dB。前缘直板流动控制为高速来流条件下空腔噪声的抑制提供了一种新的方法,可有效应用于飞行器上空腔结构的流动/噪声控制,具有重要的工程应用价值和前景。     

来流边界层厚度对开式空腔气动声学特性的影响分析

分析了不同来流边界层厚度与空腔深度比(δ/D)对长深比(L/D)为8的开式空腔内不同测点的声压级分布和声压频谱特性的影响。试验马赫数是0.6和1.5,相应的Re为1.23×107和2.26×107(基于每米)。结果表明,δ/D减小,导致开式空腔内不同测点声压级均有不同程度的增大;导致空腔上方剪切层与腔内流动或腔后壁相互作用能量增加,引起腔内同一测点不同离散频率对应的声压级增大。可见,δ/D减小,腔内流动自激振荡更易引起空腔自身结构和腔内储藏物结构振动和疲劳破坏。     

前缘高频振动对亚声速开式空腔内强噪声影响的数值研究

空腔流动现象广泛存在于各类航空飞行器中,对其包含的多种复杂物理现象的研究具有十分重要的工程及实际意义。采用大涡模拟方法对开式空腔噪声进行数值仿真,并研究了腔体前缘壁面施加高频振动后对腔体内部纯音噪声及模态的影响。研究发现随着壁面振动频率的提高,腔体内部的纯音噪声峰值逐渐降低,当腔体前缘壁面振动频率达到4000 Hz时,腔体内部1阶与2阶模态的纯音噪声峰值分别降低15 dB和17 dB。因此在腔体前缘壁面施加高频振动能显著地降低腔体内部的纯音噪声,为扩展开式空腔的工程应用奠定了良好的理论基础。     

超声速空腔流激振荡与声学特性研究

基于高速风洞试验研究了超声速时空腔流激振荡与声学特性.试验马赫数为1.5,基于每米的雷诺数为2.26×107,来流边界层厚度为0.024 m,试验空腔长深比分别为15,12和6.结果表明:空腔内形成的剪切层与腔后壁相撞诱发腔内较强烈噪声,噪声从腔后缘向腔前缘传播时受到腔内流动的干扰,故同频率下腔后缘处的声压均高于腔前中部区域的声压.闭式和过渡式空腔长深比较大,剪切层与腔底面相撞在腔内形成的压缩波或激波,干扰了从腔内声波反馈回路、限制了流激振荡的形成,故腔内未出现明显的声压峰值激振频率;开式空腔长深比较小,剪切层直接跨过空腔中部与腔后壁相撞,产生的噪声向腔前缘传播,腔内形成流激振荡,并出现多个声压峰值激振频率.      

动态舱门对空腔复杂流动和噪声特性影响分析

为研究运动舱门对内埋弹舱（空腔）非定常流场和舱内噪声特性的影响，开发了应用于运动问题的动态嵌套重叠网格组装方法，采用改进的脱体涡模拟方法对亚声速流场（Ma=0.6）进行了高精度数值模拟。首先采用空腔标准模型（M219）验证所用的高精度数值格式的有效性，然后应用发展的方法对干净空腔（C201）、带静态舱门（30°、60°、90°和120°）的空腔以及运动舱门的空腔进行模拟，并分析静、动态舱门对空腔湍流流场和腔内气动噪声的影响。针对运动舱门的非稳态非定常流动问题，采用经验模态分解方法分析空腔中的湍流脉动特征和声压级。通过分析研究结果发现，与干净空腔相比，舱门小开度（30°）时，舱门会限制法向和展向的流动，从而降低腔内流场与外部流场的流动掺混和交换，腔内壁面总声压级比干净空腔低5～8 dB，但是两者变化趋势一致，且二阶Rossiter模态频率偏高；在打开角度较大（60°以后）时，舱门对腔内流动的影响主要表现在展向，此时空腔上方的剪切层涡结构运动的高度更高，舱门阻碍噪声的展向传播，使得腔内的总声压级升高（3～10 dB不等），二阶Rossiter模态的强度增大。然而舱门开启过程中，腔内总声压级...     

超声速开式空腔流动的数值模拟

研究了不同长深比、不同雷诺数条件下,超声速开式空腔流动特性的变化。算法采用空间上5阶的WENO格式,时间上具有TVD性质的3阶Runge-Kutta方法,湍流模型选用B－L模型。数值模拟获得了不同的时刻的注场图像,压力波、涡以及空腔结构之间的相互耦合作用,使得空腔内存在典型的周期性压力脉动,但不同长深比空腔的流动性存在较大差别。     

后壁倒角对空腔噪声的抑制效果

对不同后壁角度（δr）时长深比为9的空腔模型底面中心线上的声压级分布、不同测点声压频谱特性进行分析,着重研究了后壁倒角对空腔噪声的抑制效果。结果表明,无论是在亚声速还是在超声速,空腔后壁角度增大,使得空腔内不同测点的声压级都有所降低,特别是后壁处的声压级明显降低;对不同测点的声压频谱特性也有一定影响,特别是对空腔流激振荡峰值频率时的噪声声压级有较为明显的抑制效果。可见,增大空腔后壁角度对空腔噪声有一定的抑制效果。     

超声速来流边界层厚度对浅腔声学特性的影响

通过分析不同来流边界层厚度与空腔深度比(δ/D)下腔内中心线上的脉动声压级的分布和不同测点的声压频谱特性,讨论了超声速来流边界层厚度对浅腔(长深比分别为12和15)声学特性的影响.试验来流马赫数为1.5,基于每米的雷诺数为2.26×107.结果表明,δ/D减小导致浅腔内的噪声更加强烈,腔前后部的声压级分布更不均匀;除了个别离散频率外,腔内不同测点其余离散频率对应的声压级都有不同程度的增大.δ/D减小引起空腔前部和后部区域几乎整个离散频率范围内的噪声声压级有明显升高;因超声速浅腔流动,腔中部产生的激波的干扰因素的影响,边界层流动特性对浅腔中部区域的声学特性影响较小.      

内埋武器舱关键气动及声学问题研究

以风洞试验为手段,在高速风洞中对内埋武器舱关键气动问题进行了深入研究。利用静态压力测量、脉动压力测量、网格测力等测试手段,获取了典型弹舱流场静压分布特性、气动声学特性以及武器分离特性。研究结果表明：舱内静压分布变化明显,可以此定义弹舱流场类型;开式弹舱流场气动声学环境恶劣,总声压级强度可达170dB 以上,且频谱曲线上存在多个明显的能量尖峰;武器从舱内分离过程中可能产生较大的抬头力矩,影响机/弹安全分离;在弹舱前缘施以流动控制能降低舱内静压梯度、抑制气动噪声,且有利于改善武器分离特性。     

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

边界层厚度对腔体气动声学特性影响数值模拟

为了研究来流边界层厚度对开式腔体气动声学特性的影响,基于分离涡模拟方法,计算了来流马赫数为2.0条件下,不同来流边界层厚度与腔体深度比时,长深比为5.88的腔体流动特性,得到了该腔体声压级的频谱特性.计算结果表明:随着来流边界层厚度增加,形成的剪切层稳定性增强,失稳后上下摆动幅度减少,失稳生成的大尺度涡与超声速主流的相互作用减弱,使得大尺度涡发展到腔体后缘时所具有的平动动能和转动动能降低.大尺度涡撞击腔体后缘在腔体内形成的气动噪声的声压级降低,最大减小幅度达7.5dB.同时各阶模态的频率也发生偏移,偏移值在100Hz左右.基于新的假设重新推导了Rossiter公式,明确了经验常数的物理意义,并以此解释了频率偏移现象.      

TBCC进气道变几何泄流腔研究

提出了一种用于内并联型涡轮基组合循环(TBCC)进气道全马赫数范围的可变几何泄流腔方案,给出了可变几何泄流腔的设计方法;研究了泄流腔及其几何特征参数对进气道流场特征和气动性能的影响,获得了几何特征参数对进气道气动性能的影响规律.最后,采用三维流场数值模拟手段,对泄流腔可变型面参数随飞行马赫数Ma₀的调节规律和进气道在全马赫数范围内的气动特性进行了研究,结果表明:泄流腔开启之后,随着Ma₀的增加,泄流腔进口宽度和喉道高度不断减小,且均呈前急后缓的减小趋势;在Ma₀≤2.0和Ma₀≥2.5时,泄流腔进口前角均随Ma₀的增加而减小;当Ma₀≤2.5时,进气道的总压恢复系数均在0.8以上,当2.5<Ma₀≤4.5时,进气道的总压恢复系数均在0.3以上,符合进气道总体方案的要求;冲压模态下,冲压通道的出口马赫数均小于0.4,出口静压均大于0.5个标准大气压(50.6625kPa),均能满足冲压燃烧室的燃烧需求.结合高速风洞试验研究结果,印证了可变几何泄流腔方案的可行性.      

柯恩达效应对涡轮叶栅气动性能及流场的影响

以某实际燃气轮机涡轮进口导向器叶栅为研究对象,在出口为高亚声速及超声速条件下,对具有不同柯恩达表面的环量控制叶栅进行二维数值模拟,通过对比分析叶栅的气动性能和流场细节,探讨了柯恩达效应在涡轮叶栅中的作用机理.结果表明:当叶栅出口马赫数为0.60时,射流对主流有很好的携带作用,损失小于原型叶栅;叶栅出口马赫数增加到0.85时,射流仍有较强的携带主流折转的能力;当叶栅出口为超声速时,在初始阶段小曲率的柯恩达表面上,由于激波的作用,射流向流道中心折转并提前脱离壁面,初始阶段大曲率的柯恩达表面射流附壁较好,但由于叶片吸力面与射流口之间圆角的作用,射流与主流掺混不理想.      

Investigation of straightforward impedance eduction method on single-degree-of-freedom acoustic liners

In order to address the current aircraft noise problem, the knowledge of impedance of acoustic liners subjected to high-intensity sound and grazing flow is of crucial importance to the design of high-efficiency acoustic nacelles. To this end, the present study is twofold. Firstly, the StraightForward impedance eduction Method (SFM) is evaluated by the strategy that the impedance of a liner specimen is firstly experimentally educed on a flow duct using the SFM, and then its accuracy is checked by comparing the numerical prediction with the measured wall sound pressure of the flow duct. Secondly, the effects of grazing flow and high-intensity sound on the impedance behavior of two single-layer liners are investigated based on comparisons between educed impedance and predictions by three impedance models. The performance of the SFM is validated by showing that the educed impedance leads to excellent agreement between the simulation and the measured wall sound pressure for different grazing flow Mach numbers and Sound Pressure Levels (SPLs) and over a frequency range from 3000?Hz down to 500?Hz. The grazing flow effect generally has the tendency that the acoustic resistance exhibits a slight decrease before it increases linearly with an increase in Mach, predicted successfully by the sound-vortex interaction theoretical model and the Kooi semi-empirical impedance model. However, the Goodrich semi-empirical impedance model gives only a simple linear relation of acoustic resistance starting from Mach zero. Additionally, when the SPL increases from 110 to 140?dB in the present investigation, the acoustic resistance exhibits a significant increase at all frequencies in the absence of flow; however, the resistance decreases slightly under a grazing flow of Mach 0.117. It indicates that the SPL effect can be greatly inhibited when flow is present, and the grazing flow effect can be reduced partly as well at a relatively high SPL.