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。     

基于CFD和气动声学理论的空腔自激振荡发声机理

应用CFD技术和气动声学时域理论(FW-H积分方程),探讨了空腔自激振荡发声机理。腔内噪声计算以空腔流动解为基础,采用了气动声学时域理论,对该理论进行了推导说明,并利用圆柱绕流声学特性验证该方法基本可行。研究获得的空腔自激振荡模态分析结果与Rossiter和Heller等的预测结果基本相同,捕捉到了自激振荡的频域特性;分析表明空腔上方形成的剪切层中的脱落涡与腔后壁相撞,产生的一次声波辐射至腔前壁激发新的脱落涡,新的脱落涡与腔后壁再次相撞产生二次声波形成的流动声学反馈回路是导致空腔自激振荡和噪声产生的主要原因,且腔内声压幅值主要出现在一阶和二阶振荡模态,声音能量主要集中在较低频率区域。     

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。     

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。     

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.      

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。     

腔内平板对空腔自激励振荡的影响及预估振荡频率方程的改进

运用全隐式无分裂方法,紊流模型采用修正的B-L代数模型,数值模拟了超音速流通过腔内存在平板的空腔流动.研究了腔内有不同长度平板存在的空腔流动的剪切层自持性振荡,并与无平板存在时的现象进行类比.腔内平板将剪切层与空腔隔开,减弱了剪切层振荡与空腔压强脉动的耦合作用;随着腔内平板长度的增加,剪切层振荡的程度有所减小.基于特征长度可变的思想,本文改进了Heller的频率预估方程,改进后的频率方程能更好地预估空腔的振荡频率.与Heller的方程相比,修改后的方程预估所得到的频率值更接近于闭式空腔声学模型方程的预估结果;各个方程预估空腔振荡频率值的比较进一步验证了改进后的方程的正确性及合理性.     

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。     

湍流边界层厚度对三维空腔流动的影响

采用脱体涡模拟(DES)方法开展了不同湍流边界层厚度(TTBL)下的三维空腔非定常流动数值计算。空腔长、宽、深比例为5:1:1,来流马赫数为0.85,雷诺数为13.47×10⁶ m^-1,各工况湍流边界层厚度比值为1:2:4:8。研究结果表明,湍流边界层厚度对自由剪切层的发展、空腔底部静态压力分布、脉动压力及空腔流动类型均有重要影响,且随着边界层厚度的增大,下游剪切层覆盖的范围会增大,但是剪切层增长率降低;空腔前后静态压力压差减小、压力梯度下降;腔内局部测点的脉动压力声压级下降,各阶声压峰值频率向低频方向偏移;空腔流动类型往开式流动方向转换。     

串列深腔流致声共鸣特性研究

深腔结构在管路中串列布置时会形成强烈的声学耦合效应，内部存在固有声学驻波模态等特征。尤其是当主管路流体掠过串列深腔结构时，前缘流动分离形成剪切涡脱，一旦与侧边腔体固有声模态达到频率锁定和相位匹配，则会产生强烈的流致声共鸣现象。本文有效结合了声模态有限元分析和传感器阵列实验测量，研究了腔体间距和来流雷诺数等对串列深腔流致声共鸣特性的影响。其中的声模态有限元分析获取了无来流状态下的串列深腔声学驻波模态的频率大小和声压空间分布；传感器阵列测量获取了来流雷诺数在(0.26～2.17)×10⁵之间的串列深腔壁面压力脉动的幅频信息和波形规律。研究结果表明：当串列深腔处于半波长布置时，会产生最为强烈的声共鸣现象，腔体内部声压脉动处于同相位振荡模式，同时能够诱发主管路声压与腔体声压反相位振荡；其次，当串列深腔近距离布置时，腔体内部声压脉动处于反相位振荡模式；而处于其他间距布置时，未发生明显的声共鸣现象，压力脉动幅值较低。     

零质量射流对开式空腔气动噪声抑制效果分析

高速开式空腔流动,腔内存在较复杂的流场结构,在一定条件下腔内存在较为严重的压力、速度等脉动,诱发强烈噪声,声压级(SPL)甚至可高达170 dB,对腔内的储藏物与空腔自身结构安全构成较大威胁,因此开式空腔噪声抑制方法成为争相研究的热点.为此,对跨、超声速流动条件（马赫数Ma=0.9,1.5）下有、无零质量射流时开式空腔...     

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.      

开缝空腔抑制翼型跨声速抖振的数值模拟

采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方法计算了18%双圆弧翼型的跨声速抖振特性,分析了翼面激波振荡及流场结构演化的特点,研究了在翼型表面开通气空腔抑制跨声速抖振的可行性,对空腔深度、开缝数目对激波振荡的抑制效果进行了对比分析。计算发现,18%双圆弧翼型的跨声速激波自激振荡只有向前的运动,没有向后的运动,开缝空腔能够抑制翼型跨声速抖振,但对抖振频率影响不大;空腔深度大,抑制效果好,但空腔深度变化对振荡频率影响不大;开2、3、4个槽缝抑制抖振的效果差别不大,开缝数量对抖振频率影响不大。     

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。     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

超声速凹槽大涡数值模拟研究

在超声速燃烧室内常采用凹槽增强燃料与空气的混合,实现火焰稳定,本文采用大涡模拟方法对开式凹槽流场进行了数值模拟研究,计算采用Smagorinsky 亚网格模型模拟小尺度涡的作用.数值模拟结果给出了凹槽流动的自激振荡的发展过程,以及凹槽流动中拟序结构的演变过程,如涡的卷起、增长,涡与涡之间的合并、破碎等,计算得到的凹槽波动的峰值频率和理论结果一致.