CN108665884B - 一种基于旋转开槽圆柱的凹腔噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于旋转开槽圆柱的凹腔噪声抑制方法，涉及凹腔噪声抑制。确定圆柱参数；确定圆柱的控制规律；确定槽的方式、大小、形状；确定开槽数目。首先在凹腔前缘安装旋转开槽圆柱，然后合理设置圆柱的直径、数目、间距、控制规律以及槽的方式、大小、形状、数量，产生所需强度和周期的扰动。可通过调整圆柱转速和开槽方式等来控制扰动周期与强度，达到耗散剪切层的效果。考虑到凹腔整体气动布局对性能和稳定域影响较大，本发明还考虑了非工作状态下的优化外形设计，实现工作时可控，停止工作后不对外影响。

Description

一种基于旋转开槽圆柱的凹腔噪声抑制方法

技术领域

本发明涉及凹腔噪声抑制，尤其是涉及一种基于旋转开槽圆柱的凹腔噪声抑制方法。

背景技术

目前在航空航天领域中，突扩燃烧室、飞机起落架、战机内埋弹舱等装置都存在不同形式的矩形凹腔。当高速气流进入凹腔后，会出现压力脉动、自激振荡等不稳定现象，在凹腔附近形成噪声场，不仅影响乘客的舒适体验，也降低了军机的隐身性能。凹腔内的噪声源主要有三种：凹腔入口流体速度梯度形成的单极子噪声、剪切层撞击凹腔壁面产生的偶极子噪声、分离区旋涡和腔内湍流等相互作用的四极子噪声。针对这些噪声，许多学者研究了长深比、主动和被动等控制方式。

长深比L/D控制，即调节凹腔的长深比来产生不同的流场结构和声学特性，由此可将矩形凹腔分为三类：开式凹腔(1≤L/D<10)、过渡式凹腔(10≤L/D≤13)与闭式凹腔(L/D>13)，当L/D趋于无穷时，闭式凹腔就是常见的后台阶结构(杨党国.内埋武器舱气动声学特性与噪声抑制研究[D].中国空气动力研究与发展中心,2010)；主动控制包括等离子体技术、零质量射流、吹气、交流电信号生成扰动等形式；被动控制主要有改变腔体型面(倒角、开槽、倾斜和呈阶梯状)、增加几何体(前缘立齿、平齿，腔内立柱以及在前缘边界层内或者凹腔上方剪切层中悬挂细圆杆)、腔内布置多孔底板泄压等。这些控制方式都有不同程度的噪声抑制效果，其中主动控制的适应性和可靠性更优。分析机理可知，大部分主动控制是在入口处添加初始扰动，使凹腔上方剪切层失稳耗散。这不仅减少了单极子噪声，也削弱了后续的偶极子、四极子噪声，是一种理想的控制理念。

龚志斌等(龚志斌,李杰,张辉.旋转圆柱对翼型气动特性影响的数值模拟研究[J].空气动力学学报,2015,33(2):254-258)提出一种基于旋转开槽圆柱的主动噪声抑制方法。该方法借鉴了粘性流体中旋转体的Magnus效应，通过安装在凹腔前缘的开槽圆柱旋转，使圆柱和来流相切点处的速度方向与来流方向相反，降低来流在边界层附近的流速，从而抑制剪切层形成的初始速度梯度。同时旋转产生的反方向边界层与开槽产生的扰动相互叠加，进一步干扰凹腔前缘的剪切层形成，削弱其撞击凹腔壁面的能量，实现降低噪声的目的。

发明内容

本发明旨在提供可通过干扰剪切层的演化，实现削弱剪切层能量的效果，达到抑制凹腔噪声目的一种基于旋转开槽圆柱的凹腔噪声抑制方法。

本发明包括以下步骤：

1)确定圆柱参数；

在步骤1)中，所述确定圆柱参数的具体方法可为：根据凹腔的长深比和所处环境的最大来流马赫数，确定凹腔前缘半径和圆柱半径，在所述圆柱半径下，旋转开槽圆柱的1/4圆弧段充当凹腔前缘，根据凹腔的宽度以及结构强度的要求，确定圆柱的数量与各圆柱的间距。

2)确定圆柱的控制规律；

在步骤2)中，所述确定圆柱的控制规律的具体方法可为：考虑凹腔的两种状态，所述状态一为非工作状态，此时圆柱转换光滑表面来充当凹腔前缘，防止外界杂物进入；所述状态二为工作状态，此时圆柱和来流相切点处的速度方向与来流方向相反，由此确定圆柱旋转方向；根据来流马赫数的变化，驱动圆柱匀速或变转速旋转，以产生不同工况所需的扰动。

3)确定槽的方式、大小、形状；

在步骤3)中，所述确定槽的方式、大小、形状的具体方法可为：首先，开槽的方式分为对称槽和非对称槽，然后再根据步骤1)的圆柱直径与步骤2)的控制规律，考虑扰动强度的要求，确定槽的大小和深度，槽的形状设置为底部是半圆的U形直槽，保证在底面光滑过渡，不产生应力集中，在上方等截面，实现受力平衡。

4)确定开槽数目。

在步骤4)中，所述确定开槽数目的具体方法可为：旋转圆柱的外表面必须保证1/4圆弧光滑，以满足步骤2)非工作状态的要求，根据圆柱转速和所需扰动频率，控制开槽数目n_c＝1～3。

本发明首先在凹腔前缘安装旋转开槽圆柱，然后合理设置圆柱的直径、数目、间距、控制规律以及槽的方式、大小、形状、数量，产生所需强度和周期的扰动。

本发明可通过调整圆柱转速和开槽方式等来控制扰动周期与强度，达到耗散剪切层的效果。考虑到凹腔整体气动布局对性能和稳定域影响较大，本发明还考虑了非工作状态下的优化外形设计，实现工作时可控，停止工作后不对外影响。

本发明的优点如下：

前缘圆弧过渡的凹腔具有较好的气动特性，本发明用开槽圆柱来替换过渡圆弧，借助旋转来产生主动控制中所需的扰动。并通过圆柱直径、槽的大小和开槽方式来控制扰动强度，圆柱转速和开槽数量控制扰动频率。本发明的可控因素较多，可控度较高，在提供扰动进行降噪的同时，不影响凹腔本身的气动布局，是一种很有潜力、值得考虑的凹腔噪声抑制方案。

附图说明

图1为凹腔前缘圆弧过渡的噪声产生原理图。

图2为凹腔前缘安装旋转开槽圆柱的降噪原理图。

图3为装配单个旋转开槽圆柱的凹腔三维视图。

图4为旋转开槽圆柱的三维简图。

图5为装配两个旋转开槽圆柱的凹腔三维视图。

图6为旋转开槽圆柱的(a)非工作状态示意图；(b)工作状态示意图。

图7为旋转开槽圆柱的对称槽示意图。

图8为旋转开槽圆柱的非对称槽示意图。

图9为旋转开槽圆柱中两个槽均匀分布示意图。

图10为旋转开槽圆柱中三个槽均匀分布示意图。

图中，1表示凹腔前方来流，2表示凹腔前缘，3表示凹腔前缘过渡圆弧，4表示凹腔腔体，5表示凹腔前方来流1经过凹腔腔体4后不受干扰情况下形成的剪切层，6表示剪切层5撞击凹腔后缘7所产生的气动噪声，7表示凹腔后缘，8表示旋转开槽圆柱，9表示旋转开槽圆柱8上的槽，10表示凹腔前方来流1经过旋转开槽圆柱8干扰后形成的剪切层，11表示剪切层10撞击凹腔后缘7所产生的气动噪声，12表示驱动机构。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例包括以下步骤：

1)确定圆柱参数，根据凹腔的长深比和所处环境的最大来流马赫数，确定凹腔前缘半径和圆柱半径，在所述圆柱半径下，旋转开槽圆柱的1/4圆弧段充当凹腔前缘，根据凹腔的宽度以及结构强度的要求，可确定圆柱的数量与各圆柱的间距。

2)确定圆柱的控制规律，考虑凹腔的两种状态，所述状态一为非工作状态，此时圆柱转换光滑表面来充当凹腔前缘，防止外界杂物进入；所述状态二为工作状态，此时圆柱和来流相切点处的速度方向与来流方向相反，由此确定圆柱旋转方向；根据来流马赫数的变化，驱动圆柱匀速或变转速旋转，以产生不同工况所需的扰动。

3)确定槽的方式、大小、形状，首先，开槽的方式分为对称槽和非对称槽，然后再根据步骤1)的圆柱直径与步骤2)的控制规律，考虑扰动强度的要求，确定槽的大小和深度，槽的形状设置为底部是半圆的U形直槽，保证在底面光滑过渡，不产生应力集中，在上方等截面，实现受力平衡。

4)确定开槽数目，旋转圆柱的外表面必须保证1/4圆弧光滑，以满足步骤2)非工作状态的要求，根据圆柱转速和所需扰动频率，控制开槽数目n_c＝1～3。

图1表示凹腔噪声产生原理图。当凹腔前方来流1经过凹腔前缘的过渡圆弧3时，凹腔前方来流1与凹腔腔体4内的静止空气存在速度梯度，根据流体力学领域的K-H不稳定性可知，该速度梯度会诱导出剪切层5，此时的剪切层不受外界干扰，沿流向继续传播，逐渐演化出大尺度涡旋。当大尺度涡旋撞击凹腔后缘7后，由于自激振荡效应会产生较强的凹腔噪声6。图2表示旋转开槽圆柱降噪原理图。当凹腔前方来流1经过凹腔前缘的旋转开槽圆柱8时，同样由于K-H不稳定性，会在前缘形成剪切层10。但由于本发明所提出的旋转开槽圆柱在运动过程中会产生较强扰动，干扰剪切层10的发展以及剪切层内旋涡的演化，从而弱化了到达凹腔后缘7处的旋涡尺度和能量。最终产生较弱的凹腔噪声11，实现了降低气动噪声的目的。图3和图4分别为装配旋转开槽圆柱的凹腔三维视图与旋转开槽圆柱的三维视图。从图中可知，凹腔绕驱动机构12转动，从而干扰凹腔前方来流1。在本发明中所述驱动机构12为所属技术领域内常规装置，可结合实际情况选取，不作过多介绍。关于本发明的主动抑制方法，具体的实施步骤如下：

步骤一：确定圆柱的半径、数目、间距。已知凹腔腔体4的长度为L、宽度为W，深度为D(参见图3)，来流马赫数M＝0～3，由此可以计算出凹腔腔体4的长深比L/D。由于不同长深比下，凹腔腔体4的流动结构和声学特性截然不同，因此结合给定参数，将凹腔前缘过渡圆弧3的半径R₁的选取分为下式(1)中的三类情况：

式(1)以马赫数、长深比L/D以及min{L,D}为变量，考虑不同凹腔结构和来流速度的影响。

如图2所示，圆柱8的旋转轴心与凹腔前缘过渡圆弧3的圆心重合，圆柱半径R略小于过渡圆弧半径R₁，以保证圆柱体旋转变形后不会碰到凹腔前缘2的壁面。如图3所示，为装配旋转开槽圆柱的凹腔三维视图。当L/D≥10时，凹腔腔体4属于过渡或闭式凹腔，前缘与后缘距离大，剪切层延展距离长，自然耗散较多，此时圆柱半径可取较小值，且min{L,D}＝D，以深度D来控制圆柱半径R的大小；当1<L/D<10时，属于开式凹腔，前缘与后缘距离小，高能剪切层很快便会冲击后缘，产生明显的自激振荡，因此圆柱半径应该取较大值，且min{L,D}＝D，以D来控制R的大小；当0<L/D≤1时，属于开式深腔，此时min{L,D}＝L，以L来控制R的大小。

考虑到旋转开槽圆柱的刚度与自身半径和长度有关，因此实际使用过程中可参考图5，根据需要均匀排列n个旋转开槽圆柱(n>0)；圆柱间距根据所需要的驱动机构12的最大宽度相应调整。

步骤二：确定圆柱的控制规律。本发明给出了两种凹腔状态。当凹腔处于非工作状态时，如图6(a)所示，开槽圆柱1/4的光滑表面转换到前缘，使得前缘光滑过渡；当凹腔处于工作状态(如图6(b)所示)时，分为两种情况。第一种情况是前方来流均匀、速度随时间变化不大，此时开槽圆柱匀速旋转，产生固定的扰动；第二种情况是前方来流为湍流，流速随时间变化，此时开槽圆柱变转速运动。

步骤三：确定槽的方式、大小、形状。槽的方式有两种，一种是如图7所示的对称槽，其中心线过圆心；另一种是如图8所示的非对称槽，其中心线偏离圆心，其偏心距e＝0～0.1R。相比对称槽，非对称槽可以产生更大的扰动。

槽的大小取决于所需扰动强度和步骤二保证1/4圆弧光滑的限制，一般取宽度C_w＝0.1R～(0.5R-e)和深度C_d＝(0.1～0.25)R+0.5C_w。该强度根据来流马赫数而定，马赫数越大，所需扰动强度越大。而且作用于外界的扰动主要由靠近槽口处结构产生，故深度不需过深。槽的形状为U形槽，底部为半圆，该半圆的半径为0.5C_w。

步骤四：确定开槽数目。开槽的数目受所需扰动频率有关，本发明为适应步骤二所提及的两种工作状态，如图9和图10所示，在保证1/4圆弧光滑的前提下，使槽沿圆周等距分布，且槽的数量(n_c＝1～3)。已知系统反馈的来流速度与攻角，根据线性稳定性理论预估出对应状态下的失稳频率(扰动频率ω)，得到相应旋转周期2π/ω/n_c，实现在不同条件下通过控制转速来达到主动噪声抑制的目的。

以下给出具体实施例。

以M219标准凹腔模型为例，假设该凹腔最大来流马赫数为M＝2，凹腔长度为L＝0.508m，宽度为W＝0.127m，深度为D＝0.127m，长深比L/D＝5。将上述参数代入步骤一中的公式(1)可知，过渡圆弧半径R₁＝0.0329～0.0456m(1<L/D<10)。取R₁＝0.039m与R＝0.035m，考虑所给宽度下这一半径满足刚度和强度要求，选择旋转圆柱数目n＝1。由于标准模型在实验过程中来流相对均匀，因此选择匀速旋转。旋转圆柱的开槽宽度取C_w＝0.0105m，深度取C_d＝0.00875。为实现较强的控制，选择非对称槽，槽的数目定为2，通过调节圆柱转速来产生最不稳定频率。根据实验过程中的数据分析，结合线性稳定性理论得出该马赫数下最不稳定频率ω和旋转周期为2π/ω/2，最终获得主动噪声控制的旋转开槽圆柱。

Claims (1)

1.一种基于旋转开槽圆柱的凹腔噪声抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定圆柱参数：根据凹腔的长深比和所处环境的最大来流马赫数，确定凹腔前缘半径和圆柱半径，在所述圆柱半径下，旋转开槽圆柱的1/4圆弧段充当凹腔前缘，根据凹腔的宽度以及结构强度的要求，确定圆柱的数量与各圆柱的间距；

2)确定圆柱的控制规律：考虑凹腔的两种状态，状态一为非工作状态，此时圆柱转换光滑表面来充当凹腔前缘，防止外界杂物进入；状态二为工作状态，此时圆柱和来流相切点处的速度方向与来流方向相反，由此确定圆柱旋转方向；根据来流马赫数的变化，驱动圆柱匀速或变转速旋转，以产生不同工况所需的扰动；

3)确定槽的方式、大小、形状：首先，开槽的方式分为对称槽和非对称槽，然后再根据步骤1)的圆柱直径与步骤2)的控制规律，考虑扰动强度的要求，确定槽的大小和深度，槽的形状设置为底部是半圆的U形直槽，保证在底面光滑过渡，不产生应力集中，在上方等截面，实现受力平衡；

4)确定开槽数目：旋转圆柱的外表面必须保证1/4圆弧光滑，以满足步骤2)非工作状态的要求，根据圆柱转速和所需扰动频率，控制开槽数目n_c＝1～3。

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