呂金磊，盛美萍，廖達(dá)雄，王海鋒

（1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000）

基于實(shí)驗(yàn)的跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段噪聲機(jī)理研究

呂金磊1，2，盛美萍1，廖達(dá)雄2，王海鋒2

（1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000）

風(fēng)洞試驗(yàn)段噪聲（壓力脈動(dòng)）是評(píng)價(jià)風(fēng)洞流場(chǎng)的重要指標(biāo)之一，過(guò)強(qiáng)的噪聲不但大大降低采集數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)度，同時(shí)會(huì)激起模型以及風(fēng)洞部件的抖振響應(yīng)，對(duì)材料造成嚴(yán)重的疲勞損傷，這一問(wèn)題在跨聲速風(fēng)洞中猶為突出。本文從試驗(yàn)段噪聲的成因展開(kāi)論述，包括一般風(fēng)洞中的共性問(wèn)題和跨聲速風(fēng)洞中的個(gè)性問(wèn)題；進(jìn)而結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的試驗(yàn)段壁板型式、模型支架等的發(fā)聲規(guī)律進(jìn)行了探討，并分析了各組分對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段總噪聲水平的貢獻(xiàn)。

風(fēng)洞；噪聲；壓力脈動(dòng)；流場(chǎng)；跨聲速

0 引 言

壓力脈動(dòng)指湍流中一點(diǎn)處流動(dòng)壓強(qiáng)（靜壓）隨時(shí)間作隨機(jī)變化的現(xiàn)象。單從概念上說(shuō)，壓力脈動(dòng)也即流動(dòng)的噪聲，它是隨著流體媒質(zhì)的流動(dòng)而產(chǎn)生和傳播的。很多早期研究［1-2］都沒(méi)有將二者區(qū)分開(kāi)來(lái)，二者的最大不同之處在于：壓力脈動(dòng)相對(duì)于普通噪聲有著更高的強(qiáng)度，在時(shí)域和頻域內(nèi)的變化都更加劇烈。圖1是國(guó)內(nèi)某風(fēng)洞試驗(yàn)段采集的一條噪聲曲線，在馬赫數(shù)0.83時(shí)，幾乎在整個(gè)可聽(tīng)域內(nèi)，聲壓級(jí)都超過(guò)了140d B。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)段噪聲頻譜圖（Ma=0.83）Fig.1 Spectrogram of noise in wind tunnel（Ma=0.83）

壓力脈動(dòng)是風(fēng)洞流場(chǎng)對(duì)模型施加的氣動(dòng)力的一部分，另一部分為平均壓力。結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要取決于壓力脈動(dòng)，而模型的整體氣動(dòng)力特性則是平均壓力和壓力脈動(dòng)共同作用的結(jié)果，因此在風(fēng)洞中氣流噪聲更多地被作為進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析和力學(xué)環(huán)境研究的依據(jù)。這樣一類氣動(dòng)噪聲不僅能激起有害的抖振響應(yīng)，極大地縮短材料的疲勞壽命，而且可能造成結(jié)構(gòu)件的破壞。另外，高噪聲使得精確采集信號(hào)所需要的平均時(shí)間加長(zhǎng)，影響測(cè)量結(jié)果，特別是對(duì)非定常試驗(yàn)、邊界層轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)等。進(jìn)一步提高試驗(yàn)精度、擴(kuò)大試驗(yàn)范圍，都對(duì)壓力脈動(dòng)的系統(tǒng)研究提出了迫切的要求。

在20世紀(jì)六、七十年代，世界各國(guó)對(duì)氣流噪聲的研究達(dá)到了鼎盛時(shí)期，產(chǎn)生了很多經(jīng)典理論，D.G.Mabey［1］和M.V.Lowson［2］分別依據(jù)各自的試驗(yàn)現(xiàn)象提出了氣流噪聲的預(yù)測(cè)公式，并被后來(lái)的相關(guān)研究工作者 廣 泛 引用；國(guó) 內(nèi)起 步 較晚，惲 起麟［3］，凌 其楊［4］，谷 嘉錦［5］，范潔 川［6］等 人 開(kāi) 始研 究 這類 氣 動(dòng)噪聲問(wèn)題是在20世紀(jì)八、九十年代，隨后的幾十年里科研院所所取得的成果很少，并且所作的工作也主要是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 風(fēng)洞壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理

氣流噪聲產(chǎn)生的一個(gè)主要原因是邊界層的擾動(dòng)，風(fēng)洞可以通過(guò)安裝消聲裝置降低管道內(nèi)部的噪聲，但是對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)部產(chǎn)生的這部分噪聲卻很難消除。在這里不存在流體本身的不穩(wěn)定問(wèn)題，實(shí)際上即使是穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)，這種噪聲依然存在。對(duì)于可壓縮流，由包含密度的伯努利方程（（1）式）可知：通道截面發(fā)生變化時(shí)，變化截面兩端的壓力亦發(fā)生變化［7］，這種壓力變化的直接影響就是導(dǎo)致壁面脫落渦的產(chǎn)生，從而形成了噪聲。有一種比較公認(rèn)的觀點(diǎn)：壓力起伏的有效值與自由流動(dòng)壓成正比［8］。對(duì)于高亞聲速或跨聲速這類動(dòng)壓較高的流動(dòng)，所輻射的噪聲也同樣是很高的。

與真實(shí)飛行相比，風(fēng)洞試驗(yàn)不可避免的受到壁板的影響，低速風(fēng)洞的開(kāi)口試驗(yàn)段可以大幅度地減弱壁板效應(yīng)，但是，在跨超聲速風(fēng)洞中，由于能量消耗巨大而無(wú)法采用開(kāi)口試驗(yàn)段，這一問(wèn)題變得猶為突出。另外，風(fēng)洞的堵塞現(xiàn)象、亞聲速洞壁干擾、激波反射等問(wèn)題在跨聲速風(fēng)洞中普遍存在，對(duì)于這些問(wèn)題，常規(guī)的風(fēng)洞試驗(yàn)段壁板均無(wú)法解決。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)探索，人們發(fā)現(xiàn)用開(kāi)孔或開(kāi)槽壁板，并對(duì)孔（槽）的參數(shù)加以優(yōu)化，上面的問(wèn)題便會(huì)迎刃而解。但是，這同時(shí)會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，使用開(kāi)孔、槽壁，會(huì)引入很強(qiáng)的壓力脈動(dòng)噪聲。由于壁板的特殊性，跨聲速試驗(yàn)段的噪聲增加了其他形式。首先，通氣壁自身的噪聲以及通氣壁放大了的邊界層內(nèi)的壓力擾動(dòng)；其次，氣流經(jīng)過(guò)孔（槽）壁后，排入駐室時(shí)的射流噪聲（沖擊和湍流噪聲）。

按照產(chǎn)生位置來(lái)區(qū)分，影響到風(fēng)洞試驗(yàn)段的噪聲主要來(lái) 自于［9］：

（1）洞壁邊界層的擾動(dòng)；

（2）氣流流入、流出壁板上的槽（孔）時(shí)產(chǎn)生的噪聲；

（3）模型支架的影響；

（4）駐室回流；

（5）來(lái)流噪聲。

其中洞壁邊界層的擾動(dòng)在使用不同的壁板時(shí)，輻射的噪聲強(qiáng)度和頻譜又有著很大的差別。駐室回流對(duì)于試驗(yàn)段氣流的擾動(dòng)也是非常明顯的，對(duì)這部分內(nèi)容的研究需要借助更為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，本文實(shí)驗(yàn)中未涉及這方面的內(nèi)容，為消除其影響，實(shí)驗(yàn)中將回流口（引射縫）封堵。本項(xiàng)研究主要針對(duì)（1）、（2）展開(kāi)。

2 試驗(yàn)段形式對(duì)壓力脈動(dòng)的影響

2.1 開(kāi)孔壁板

在跨聲速風(fēng)洞中，為了解決風(fēng)洞的堵塞問(wèn)題，產(chǎn)生均勻的低超聲速流動(dòng)，減少或消除亞聲速洞壁干擾以及激波反射的影響，選用特種試驗(yàn)段壁板成了風(fēng)洞建設(shè)單位的最終選擇?？v觀國(guó)內(nèi)外跨、超聲速風(fēng)洞，這種試驗(yàn)段壁板共有兩類：開(kāi)孔壁和開(kāi)槽壁。

AEDC 16T，ARA 8ft×9ft，RAE 3ft×3ft等風(fēng)洞采用了開(kāi)孔壁試驗(yàn)段。從1947年第一座跨聲速風(fēng)洞運(yùn)行開(kāi)始，穿孔壁經(jīng)歷了由“直孔-斜孔-變開(kāi)閉比”的研究歷程，到今天60°被確定為設(shè)計(jì)的主流形式，其主要原因就是這種型式的壁板具有良好的消波性能，較容易建立起穩(wěn)定且連續(xù)的試驗(yàn)段流場(chǎng)。圖2是在風(fēng)洞無(wú)支架，引射縫全開(kāi)，二喉道不節(jié)流，穩(wěn)定段、噴管道等參數(shù)都完全相同的前提下，實(shí)壁與孔壁試驗(yàn)段的對(duì)比吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)曲線，其中，孔壁采用60°斜孔，開(kāi)孔率6%，沿氣流方向均布。二者最大相差16d B（馬赫數(shù)為0.7情況下），同時(shí)，從曲線可以看出，孔壁噪聲在馬赫數(shù)為0.7附近共振特征明顯。

圖2 孔壁與實(shí)壁試驗(yàn)段噪聲比較Fig.2 Contrast curve of test section noise between perforated and solid wall

如此強(qiáng)烈噪聲的一個(gè)重要源頭就是孔壁引起的邊棱音——由于孔尖銳后緣的存在，而釋放出的加強(qiáng)渦系，如圖3所示。

圖3 邊棱音模型Fig.3 Edge tone model

當(dāng)孔的自然頻率與試驗(yàn)段的自然頻率一致時(shí)，就出現(xiàn)共振，在各個(gè)孔處產(chǎn)生邊棱音。60°斜孔的共振頻率 滿 足下 面 關(guān)系［4，10］：

式中，f為斜孔的各階共振頻率，Hz；U 為自由流的速度，m／s；Ma為自由流馬赫數(shù)；l為斜孔在順氣流方向的寬度，m。

圖4對(duì)比了不同馬赫數(shù)下，采用實(shí)壁和開(kāi)孔壁的試驗(yàn)段的頻譜圖，在馬赫數(shù)0.4、0.6、0.8孔壁頻譜中都出現(xiàn)了共振峰值，由于缺少對(duì)應(yīng)的線譜數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)有一定的差異（表1），但是，從表中依然可以看出，邊棱音確實(shí)存在，以及它對(duì)測(cè)量結(jié)果有著很大的影響。

表1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of calculated and experimental results

圖4 開(kāi)孔壁試驗(yàn)段噪聲輻射特性曲線Fig.4 Perforated test section noise radiation characteristic curve

2.2 開(kāi)槽壁板

試驗(yàn)段采用開(kāi)槽壁板很好地規(guī)避了孔壁引入的邊棱音影響，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上也更容易實(shí)現(xiàn)，隨著對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的提升，風(fēng)洞尺寸變得越來(lái)越大，加工難度也成為了設(shè)計(jì)風(fēng)洞過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。NLR HST 1.6（1.8）m×2m，ARC 11ft× 11ft，ETW 2m×2.4m 等風(fēng)洞試驗(yàn)段采用這種開(kāi)槽壁板。ETW 風(fēng)洞是目前已經(jīng)建成的噪聲最低的風(fēng)洞之一，且該風(fēng)洞的其他各項(xiàng)氣動(dòng)指標(biāo)也都居于世界先進(jìn)水平。圖5是本次實(shí)驗(yàn)中用到的一組試驗(yàn)段壁板，槽口寬度5mm，開(kāi)閉比10%。

圖5 開(kāi)槽壁板Fig.5 Slotted test section wall

這種型式壁板輻射的噪聲，除了邊界層的壓力波動(dòng)以外，主要還表現(xiàn)為：進(jìn)入試驗(yàn)段的氣體在試驗(yàn)段擴(kuò)張作用下形成的噴注噪聲以及試驗(yàn)段與駐室流體交互過(guò)程中形成的噴注噪聲。邊界層內(nèi)的壓力脈動(dòng)大小主要根據(jù) Lowson的定義式［2］確定

式中，q為自由流的動(dòng)壓。多年來(lái)相關(guān)研究一直將這一關(guān)系式作為確定邊界層壓力脈動(dòng)的下限的標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)洞建設(shè)過(guò)程中則努力將設(shè)計(jì)指標(biāo)靠近這一標(biāo)準(zhǔn)。

而噴注湍流噪聲則可以通過(guò)lighthill的經(jīng)典理論八次方定律獲得。

式中，Kv為噴注常數(shù)，取值大約為（0.3～1.8）× 10-4；ρ為當(dāng)?shù)孛劫|(zhì)密度；v 為當(dāng)?shù)貧饬魉俣龋籇 為噴口特征尺寸，這里取試驗(yàn)段寬度尺寸：0.3m。

圖6對(duì)比了實(shí)驗(yàn)曲線與兩條理論曲線，其中噴注的理論曲線中，Kv取最大值（1.8×10-4），從圖中可以看出噴注噪聲與邊界層內(nèi)部壓力波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲相比有著巨大的差距，換言之，這部分噪聲被完全掩蓋了。而實(shí)壁、槽壁的測(cè)量結(jié)果一致性較好，而且二者都與Lowson曲線有著相同的趨勢(shì)，數(shù)值相差也不大。

圖6 槽壁試驗(yàn)段噪聲輻射特性曲線Fig.6 Slotted test section noise radiation characteristic curve

由于駐室內(nèi)形成的“馬赫數(shù)-噪聲”曲線非常不穩(wěn)定，而且開(kāi)槽與噴口之間的等效關(guān)系也較難確定，無(wú)法簡(jiǎn)單地找出噪聲的產(chǎn)生規(guī)律。D.G.Mabey曾經(jīng)針對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段槽壁做過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)［1］以驗(yàn)證開(kāi)槽的氣動(dòng)尺寸，我們可以從他的實(shí)驗(yàn)中得到一些啟示：他的研究表明通過(guò)在開(kāi)槽壁板的背面加網(wǎng)、孔板，以及“V”字槽型，可以大幅度降低噴注噪聲強(qiáng)度。

2.3 模型支架

模型支架（圖7）是風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)部一個(gè)比較穩(wěn)定的噪聲源，流體流經(jīng)支架表面，產(chǎn)生偶極子噪聲。從有、無(wú)支架的對(duì)比曲線（圖8）可以看出，支架對(duì)試驗(yàn)段噪聲有著較為穩(wěn)定的輸出。對(duì)于典型的偶極子聲源，有如下關(guān)系成立：

式中，Wd為輻射聲功率；D為支架特征尺寸。

圖7 模型支架Fig.7 Model stand

圖8 模型支架影響曲線Fig.8 Curve of noise affect from model stand

在風(fēng)洞中，工作介質(zhì)不再滿足“不可壓縮，等熵，無(wú)粘”的理想流體特征，上式結(jié)果受到流體當(dāng)?shù)孛芏?、溫度等多個(gè)因素的影響，實(shí)際情況較為復(fù)雜，這里僅對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行擬合，圖9，得到不同風(fēng)速下的支架作用影響公式：

圖9 模型支架噪聲擬合曲線Fig.9 Fitting curve of noise affect from model stand

3 結(jié) 論

跨聲速流動(dòng)的噪聲問(wèn)題研究對(duì)于高質(zhì)量的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集有著極為重要的意義，模擬流動(dòng)的風(fēng)洞設(shè)備為這項(xiàng)研究的開(kāi)展提供了有力的硬件平臺(tái)。通過(guò)該項(xiàng)研究，我們得到如下結(jié)論：

（1）開(kāi)槽通氣壁比開(kāi)孔壁有著更穩(wěn)定的聲學(xué)性能。在使用開(kāi)孔壁的風(fēng)洞中，邊棱音的存在，極大地影響著風(fēng)洞試驗(yàn)段的背景噪聲水平；而開(kāi)槽壁板只在個(gè)別風(fēng)速下產(chǎn)生較高的噪聲，并且對(duì)試驗(yàn)段噪聲的影響很小。

（2）風(fēng)洞壓力脈動(dòng)的數(shù)值可以定性地預(yù)測(cè)。例如邊棱音的發(fā)生頻率，邊界層擾動(dòng)的大小，模型支架的影響程度等，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正，可以在更大的范圍內(nèi)使用。

（3）現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)大多數(shù)跨聲速風(fēng)洞的背景噪聲遠(yuǎn)高于根據(jù)經(jīng)典理論計(jì)算得到的結(jié)果，非邊界層噪聲占主要成分，將風(fēng)洞試驗(yàn)段的噪聲降低到邊界層本底噪聲的水平仍是現(xiàn)階段跨聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)和改造的奮斗目標(biāo)。

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Investigation about transonic wind tunnel test section noise mechanism based on experimental

LüJinlei1，2，SHENG Meiping1，LIAO Daxiong2，WANG Haifeng2

（1.College of Marine，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；2.State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and development Center，Mianyang 621000，China）

The wind tunnel test section noise（pressure fluctuation）is one of the important indexes to evaluate the wind tunnel flow field，excessive noise not only significantly reducing the precision and accuracy of the collected data，but also arouses the model as well as wind tunnel parts buffeting response and causes serious fatigue damage to the materials，which is especially outstanding in transonic wind tunnels.This article discussed the causes of noise produced in the test section at first，with the common problems of general wind tunnels and the personalities of transonic wind tunnels included，and then based on wind tunnel tests studied sound laws of different test section wallboard type and model stand，analyzed the contribution for overall noise level from each component.

wind tunnel；noise；pressure fluctuation；flow field；transonic

V211.3

Adoi：10.7638／kqdlxxb-2012.0151

0258-1825（2014）04-0488-05

2012-09-14；

2013-02-27

呂金磊（1980-），男，河南杞縣人，工程師，碩士，主要從事噪聲與振動(dòng)控制工程研究.E-mail：36065024＠qq.com

呂金磊，盛美萍，廖達(dá)雄，等.基于實(shí)驗(yàn)的跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段噪聲機(jī)理研究［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2014，32（4）：488-492.

10.7638／kqdlxxb-2012.0151. LüJ L，SHENG M P，LIAO D X，et al.Investigation about transonic wind tunnel test section noise mechanism based on experimental［J］.ACTA Aerodynamica Sinica，2014，32（4）：488-492.