楊黨國，羅新福，李建強(qiáng)，蔣衛(wèi)民

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621000)

0 引言

空腔流動(dòng)既是一個(gè)經(jīng)典的流體力學(xué)問題，又廣泛存在于航空航天領(lǐng)域。高速空腔流動(dòng)，腔外剪切流與腔內(nèi)流動(dòng)相互作用，在一定條件下腔內(nèi)出現(xiàn)流動(dòng)自激振蕩，誘發(fā)壓力劇烈脈動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈噪聲，噪聲聲壓級(jí)可高達(dá)170dB，給腔內(nèi)安裝系統(tǒng)、儲(chǔ)藏物與空腔自身結(jié)構(gòu)安全帶來了較大威脅［1］。

國外有人依據(jù)靜壓分布按長深比(L/D)不同將空腔大致分為三種主要流動(dòng)類型，即閉式流動(dòng)(L/D＞13)、過渡式流動(dòng)(10≤L/D≤13)和開式流動(dòng)(L/D＜10)［2－4］。對(duì)空腔聲學(xué)特性也進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究，內(nèi)容涵蓋了亞跨超聲速時(shí)腔內(nèi)噪聲測(cè)量與分析［5－8］。近年來采用數(shù)值模擬研究空腔聲學(xué)特性的文獻(xiàn)逐漸增多［9－10］。國內(nèi)對(duì)此研究起步較晚，僅有的研究大多是采用數(shù)值方法［11－15］，試驗(yàn)研究相對(duì)較少，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所對(duì)空腔流動(dòng)特性做了一些試驗(yàn)研究［16－17］。空腔聲學(xué)特性復(fù)雜，目前在國際上對(duì)空腔自激振蕩誘發(fā)噪聲機(jī)理和影響因素解釋仍未達(dá)成一致。本文著重分析了來流邊界層厚度對(duì)開式空腔聲學(xué)特性的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

一期空腔模型L、W和D為80mm、56mm和10mm，直接安裝在風(fēng)洞側(cè)壁上，試驗(yàn)中W和D不變，通過在空腔后端添加矩形堵塊改變L，實(shí)現(xiàn)L/D變化。二期空腔模型L、W和 D為267mm、104mm和33.4mm，模型嵌套在平板上，平板安裝在風(fēng)洞側(cè)壁上，試驗(yàn)中L和W不變，通過一個(gè)絲杠帶動(dòng)底板改變D，實(shí)現(xiàn)L/D變化。脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)均布置在空腔模型底面中心線上，試驗(yàn)照片見圖1。

2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)風(fēng)洞是中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所的FL-21風(fēng)洞。試驗(yàn)段橫截面尺寸是0.6m×0.6m，長度為1.775m，風(fēng)洞運(yùn)行馬赫數(shù) Ma 范圍是 0.3 ～4.0，跨聲速時(shí)試驗(yàn)段上下為開孔壁，兩側(cè)為實(shí)壁;超聲速時(shí)四壁均為實(shí)壁。脈動(dòng)壓力傳感器是Endevco公司型號(hào)8514-10的壓阻式傳感器，固有頻率為200kHz，量程為68kPa，名義靈敏度為4.35 ×10-3mV/Pa。

3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)迎角、側(cè)滑角和滾轉(zhuǎn)角均是0°，試驗(yàn)馬赫數(shù)Ma為0.6 和 1.5，相應(yīng)的雷諾數(shù) Re分別是 1.23 ×107和2.26×107(參考長度1m)，空腔L/D為8。第一期試驗(yàn)在風(fēng)洞側(cè)壁試驗(yàn)段入口處、第二期試驗(yàn)在平板前緣粘貼金剛砂粗糙帶進(jìn)行人工轉(zhuǎn)捩，粗糙帶的寬度均為3mm。采用單點(diǎn)皮托管測(cè)量空腔試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓熬壢肟谔幍倪吔鐚雍穸取?/p>

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.1 The photographs of the test models

4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析上限截止頻率是1×104Hz，頻域分辨率取4.88Hz，樣本長度是1024，取32個(gè)樣本作總體平均以減小隨機(jī)誤差。為減小因時(shí)域截?cái)嘈盘?hào)在頻域產(chǎn)生的滲漏誤差，數(shù)據(jù)處理加了海寧窗，并修正了加窗對(duì)聲壓頻譜密度幅值的影響。此外，試驗(yàn)中信號(hào)調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)選用0.1Hz高通濾波，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除了信號(hào)中的直流成份。參數(shù)中SPL表示噪聲聲壓級(jí)，斯托羅哈數(shù)(St=fL/U)是描述腔內(nèi)流激振蕩頻率特性的一個(gè)無量綱參數(shù)。其中f指測(cè)的壓力脈動(dòng)頻率，L是空腔長度，U是自由來流速度。

兩期試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀螀?shù)除寬深比W/D不同外，其余都相同。參考文獻(xiàn)［3］研究結(jié)果指出W/D對(duì)空腔聲學(xué)特性影響較小，因此相同Ma和L/D時(shí)，兩期試驗(yàn)結(jié)果差異主要來自δ/D。δ/D具體參數(shù)見表1。

表1 邊界層厚度與空腔深度比(δ/D)Table 1 The boundary-layer thickness to the cavity depth ratios(δ/D)

5 結(jié)果分析

5.1 亞聲速流動(dòng)條件

亞聲速開式空腔流動(dòng)，在空腔前壁為下臺(tái)階繞流，流動(dòng)分離，一部分氣流向腔內(nèi)擴(kuò)張，另一部分氣流繼續(xù)向腔后壁流動(dòng)，并在空腔上方形成剪切層。剪切層運(yùn)動(dòng)到后壁前，流動(dòng)再次分離，一部分氣流移出空腔向下游運(yùn)動(dòng)，另一部分氣流則沿著腔后壁向腔底面運(yùn)動(dòng)并穿過腔中部向前壁運(yùn)動(dòng)，在腔內(nèi)形成連通腔前后部流動(dòng)的旋渦(見圖2)。這種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致剪切層與腔后壁相撞產(chǎn)生的強(qiáng)烈噪聲能夠通過連通腔前后部流動(dòng)的旋渦傳播至腔前壁，噪聲能輻射到整個(gè)空腔區(qū)域。

Ma=0.6，不同δ/D時(shí)空腔內(nèi)聲壓級(jí)分布基本相似。δ/D減小，腔內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均有不同程度的增大，腔中前部測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)較明顯，如圖3所示。從圖4可知，δ/D減小引起空腔前部測(cè)點(diǎn)1不同離散頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)均有不同程度的增大，且誘發(fā)較低頻率區(qū)域(0.5＜St＜1.5)范圍內(nèi)出現(xiàn)了較明顯的聲壓峰值激振頻率;δ/D減小對(duì)空腔中部(測(cè)點(diǎn)2)和空腔后部(測(cè)點(diǎn)3)的聲壓頻譜特性也有較大影響，導(dǎo)致不同離散頻率對(duì)應(yīng)的聲壓值明顯增大，在低頻區(qū)域同樣也出現(xiàn)了聲壓峰值激振頻率。

圖4 馬赫數(shù)0.6時(shí)腔內(nèi)聲壓頻譜特性Fig.4 Sound pressure frequency spectrum characteristics inside the cavity at Ma=0.6

引起開式空腔(Ma=0.6、L/D=8)聲學(xué)特性發(fā)生上述變化的主要原因可能是δ/D減小(來流邊界層厚度相對(duì)變小)，空腔上方形成的剪切層中的氣流平均速度增大，剪切層與腔內(nèi)流動(dòng)作用的能量增加，引起剪切層更不穩(wěn)定，誘發(fā)艙內(nèi)噪聲更強(qiáng)烈，故腔內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均有不同程度的增大。

5.2 超聲速流動(dòng)條件

超聲速開式空腔流動(dòng)復(fù)雜，因腔長深比較小，氣流流經(jīng)腔前壁時(shí)微弱壓縮，形成微弱壓縮波或斜激波，氣流壓力升高、速度減小;隨后流動(dòng)發(fā)生分離，一部分氣流向腔內(nèi)擴(kuò)張，另一部分在腔上方形成剪切層，剪切層從腔前壁出發(fā)，直接跨過腔中部，在腔后壁前流動(dòng)再次分離，一部分氣流沿空腔后壁通過腔底部向腔前壁運(yùn)動(dòng)，在腔內(nèi)形成順時(shí)針方向的旋渦，連通了腔前后部流動(dòng);剪切層與腔后壁相撞在空腔后壁處形成一道激波，如圖5所示。

圖6和圖7給出Ma=1.5時(shí)L/D=8的空腔內(nèi)聲壓級(jí)分布和聲壓頻譜特性。氣流在腔前壁微弱壓縮后向腔內(nèi)擴(kuò)張，引起腔前壁后區(qū)域內(nèi)聲壓級(jí)略微降低?？涨簧戏叫纬傻募羟袑涌邕^腔中部，與腔后壁碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)烈噪聲，引起腔內(nèi)聲壓級(jí)從腔前壁單調(diào)遞增至腔后壁處最大值(見圖6)。不同δ/D時(shí)腔內(nèi)聲壓級(jí)變化趨勢(shì)基本相同。δ/D減小，腔內(nèi)同一測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)增大。δ/D減小，導(dǎo)致腔內(nèi)第一測(cè)點(diǎn)(見圖7a)和第二測(cè)點(diǎn)(見圖7b)不同離散頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)均有不同程度的增大，引起腔內(nèi)激振頻率略微偏移;導(dǎo)致第三測(cè)點(diǎn)(見圖7c)在整個(gè)離散頻率范圍內(nèi)聲壓級(jí)均有較大程度增大(特別是腔后壁附近最明顯)?？梢姵曀?Ma=1.5)時(shí)，δ/D減小使開式空腔內(nèi)噪聲更強(qiáng)烈，同一測(cè)點(diǎn)相同離散頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)增大。

引起開式空腔(Ma=1.5、L/D=8)聲學(xué)特性發(fā)生上述變化的主要原因可能是δ/D減小，來流邊界層內(nèi)氣流平均速度增大，導(dǎo)致腔前壁處壓縮波或斜激波強(qiáng)度升高;空腔上方形成的剪切層與腔內(nèi)流動(dòng)相互作用的能量增加，導(dǎo)致腔內(nèi)壓力脈動(dòng)加劇，故腔內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均有較大程度的增大。

圖7 馬赫數(shù)1.5時(shí)腔內(nèi)聲壓頻譜特性Fig.7 Sound pressure frequency spectrum characteristics inside the cavity at Ma=1.5

6 結(jié)論

通過分析來流邊界層厚度對(duì)開式空腔氣動(dòng)聲學(xué)特性的影響，得出以下結(jié)論:

(1)δ/D減小(來流邊界層厚度與空腔深度比減小)，導(dǎo)致開式空腔內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均有不同程度增大，腔前后部的聲壓級(jí)分布更不均勻;

(2)δ/D減小，對(duì)開式空腔內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的聲壓頻譜特性有較大影響，主要引起同一測(cè)點(diǎn)不同離散頻率對(duì)應(yīng)的噪聲聲壓級(jí)有不同程度增大，且聲壓峰值激振頻率略微偏移;

總之，δ/D減小導(dǎo)致開式空腔內(nèi)噪聲更強(qiáng)烈，更易引起空腔自身結(jié)構(gòu)與腔內(nèi)儲(chǔ)藏物結(jié)構(gòu)振動(dòng)和疲勞破壞。

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