CN114459724B - 一种高速自由射流风洞噪声控制装置 - Google Patents

一种高速自由射流风洞噪声控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种高速自由射流风洞噪声控制装置。本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置的塔顶为封闭的平顶，高速自由射流风洞噪声控制装置的塔体为双层混凝土塔体，在双层混凝土塔体内腔，从下至上依次排列的多孔扩散管、矩阵消声器、倒锥吸声体、防雨百叶装置，以及用于检修矩阵消声器的检修爬梯；高速风洞出口气流依次流经多孔扩散管、矩阵消声器和倒锥吸声体，从防雨百叶装置流出。本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置能够满足高速自由射流风洞的使用要求，设备强度达标，消声降噪效果良好。

Description

一种高速自由射流风洞噪声控制装置
技术领域
本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种高速自由射流风洞噪声控制装置。
背景技术
高速自由射流风洞是在20世纪中叶开始发展起来的，它没有闭口风洞试验段的壁板严格限制，允许模型堵塞度大，支撑及测试设备布置灵活，是开展推进系统、动态特性等特种风洞试验的重要地面模拟设备。美国、俄罗斯等航空航天大国修建了一系列自由射流试验设备，主要开展进气道、发动机特性等试验或吹袭试验，解决了飞行器研制过程中的诸多气动问题。目前，我国低速和高超声速的射流风洞较多，近年来，高速自由射流风洞也加快发展。
高速自由射流风洞的噪声问题是高速自由射流风洞建设过程中需要解决的的主要技术问题之一。高速自由射流风洞的噪声预估将达到180dB，建设要求顶部出风口位置声压级小于98.9dB，需要降低至少81.1dB，对降低噪声的要求很高。当前，有必要进一步开展风洞降噪技术研究，发展一种高速自由射流风洞噪声控制装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速自由射流风洞噪声控制装置。
本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特点是，所述的高速自由射流风洞噪声控制装置的塔顶为封闭的平顶，高速自由射流风洞噪声控制装置的塔体为双层混凝土塔体，在双层混凝土塔体内腔，从下至上依次排列的多孔扩散管、矩阵消声器、倒锥吸声体、防雨百叶装置，以及用于检修矩阵消声器的检修爬梯；高速风洞出口气流依次流经多孔扩散管、矩阵消声器和倒锥吸声体，从防雨百叶装置流出；
所述的双层混凝土塔体为内外两层套装的方型管体，位于高速风洞出口，高速风洞出口伸入双层混凝土塔体的长方体型空腔下部；双层混凝土塔体沿内层壁面安装有钢架，顶部安装有塔顶钢梁；
所述的多孔扩散管为圆管结构，直径与高速风洞出口直径相等，左右对称安装在高速风洞出口，与高速风洞洞体形成T型管结构；多孔扩散管的两端通过圆锥帽封堵，圆锥帽的顶点朝向管道内、位于多孔扩散管的中心轴线上，圆锥帽的锥角为108°；多孔扩散管的管体上开有阵列的通孔Ⅰ，通孔Ⅰ的流通面积为高速风洞出口截面积的1.5~2.0倍；
所述的矩阵消声器包括若干个固定在钢架上、从下至上串列排列的消声器组合体，消声器组合体高度根据消声量需要确定，各消声器组合体之间的垂直距离为L，L为矩阵消声器之间等效直径的5~8倍；消声器组合体的外部为长方体型框架，上、下表面为平行排列的筋条，四周为支撑梁架；消声器组合体的内部阵列排列有若干个矩阵消声单元；矩阵消声单元为竖直放置的长方体型壳体，四周表面开有阵列的通孔Ⅱ，上下两端通过四棱锥封闭，四棱锥的锥顶分别与长方体型框架上、下表面对应的筋条固定连接；上下两个相邻的消声器组合体中的矩阵消声单元交错对应；
所述的倒锥吸声体固定在塔顶钢梁的下方，尖顶朝下，内部为倒锥骨架，倒锥骨架的顶面为长方形，与双层混凝土塔体的长方形顶面相似，倒锥骨架的短边斜面为对称的等腰三角形，长边斜面为对称的等腰梯形；等腰三角形和等腰梯形上固定吸声体结构；
所述的防雨百叶装置包括从下至上平行排列的若干层排雨檐，各层排雨檐的边缘与双层混凝土塔体的长方形顶面的边缘平齐；每层排雨檐包括骨架和铝塑板；每层骨架包括从内至外平行排列的若干个长方形框架，最内侧的骨架固定在钢架上，长方形框架之间通过位于骨架下方的加强筋固定连接，骨架的上方的排布若干块铝塑板；铝塑板的竖直截面为楔形，楔形的上边和下边均是从内侧向外檐倾斜向下的直线段；上层铝塑板和下层铝塑板之间设置有进雨倾角α，防止雨水被风吹进双层混凝土塔体内腔。
进一步地，所述的吸声体结构为多层结构，从上往下依次为空气层、镀锌铅丝网、玻璃棉层、镀锌孔板，镀锌孔板面向气流；玻璃棉层采用若干内装玻璃棉的纤布袋填充。
进一步地，所述的矩阵消声单元的水平截面为正方形，正方形的边长为S，矩阵消声单元之间的间隔距离也为S。
进一步地，所述的防雨百叶装置的排风口面积大于矩阵消声器内的通流面积。
进一步地，所述的防雨百叶装置的进雨倾角α的最大值为66.5°。
进一步地，所述的防雨百叶装置的骨架的下方即迎风面上包覆有圆弧导流板，用于气流导流。
进一步地，所述的消声器组合体的长方体型框架和筋条的下方即迎风面上包覆有圆弧导流板，用于气流导流。
进一步地，所述的消声器组合体的矩阵消声单元与筋条固定的位置进行局部加固，四棱锥的锥顶内部加装垫片，并设置若干个紧固螺钉。
进一步地，所述的检修爬梯分为多段，经过消声器组合体的部段位于消声器组合体内部，拆除对应的矩阵消声单元放置检修爬梯，剩余部段安装在双层混凝土塔体内腔的壁面上，各部段位置按照方便检修人员检修的路径设置。
本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置采用了以下四种降噪方法：
a.小孔喷注技术；
小孔喷注技术是通过将一个较大口径的喷口改变为无数个小孔进行喷注的方式来显著降低排气噪声，小孔的流通面积为喷口出口面积的1.5~2.0倍。本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置在多孔扩散管管体上开有阵列的通孔Ⅰ进行小孔喷注，通孔Ⅰ的流通面积为高速风洞出口截面积的1.5~2.0倍。
b.阻性段消声
阻性段消声是利用吸声材料和护面材料及隔声材料设计成一定结构来降低噪声的方法。本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置采用矩阵消声器实现阻性段消声。
c.扩张消声
扩张消声利用管道中横截面突变引起的声阻抗变化，产生反射、干涉等现象达到消声目的。本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置利用各消声器组合体之间的垂直距离为L的空腔作为扩张腔段，起到减少动压、增加静压、稳定气流和减少气流震动的作用。
d.面声源的几何发散衰减
面声源可看作由无数点声源连续分布组合而成的，面声源的合成声级会降低。本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置的倒锥吸声体和防雨百叶装置构成面声源，降低出口噪声。
本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置出口噪声为93.9dB，能够满足高速自由射流风洞的使用要求，设备强度达标，经济性更好消声降噪效果良好，比以前风洞使用消声设备经济性更好，消声效果更优。
附图说明
图1a为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置的结构示意图（主视图）；
图1b为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置的结构示意图（侧视图）；
图2a为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的多孔扩散管结构示意图（主视图）；
图2b为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的多孔扩散管结构示意图（侧视图）；
图2c为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的多孔扩散管结构示意图（俯视图）；
图2d为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的多孔扩散管结构示意图（A、B局部放大图）；
图3a为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的矩阵消声器结构示意图（主视图）；
图3b为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的矩阵消声器结构示意图（侧视图）；
图3c为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的矩阵消声器结构示意图（俯视图）；
图3d为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的矩阵消声器结构示意图（立体图）；
图4a为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的矩阵消声单元结构示意图（主视图）；
图4b为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的矩阵消声单元结构示意图（俯视图）；
图5a为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的倒锥吸声体结构示意图（主视图）；
图5b为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的倒锥吸声体结构示意图（侧视图）；
图6a为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的防雨百叶装置结构示意图（俯视图）；
图6b为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的防雨百叶装置结构示意图（主视图）；
图6c为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的防雨百叶装置结构示意图（侧视图）；
图6d为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的防雨百叶装置结构示意图（A-A剖面图）；
图7a为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的圆弧导流板结构示意图（主梁）；
图7b为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的圆弧导流板结构示意图（次梁）；
图7c为本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置中的圆弧导流板结构示意图（支撑角钢）。
图中，1.双层混凝土塔体；2.多孔扩散管；3.矩阵消声器；4.倒锥吸声体；5.防雨百叶装置；6.消声器组合体；7.矩阵消声单元；8.吸声体结构；9.钢架；10.塔顶钢梁；11.排雨檐；12.骨架；13.铝塑板；14.圆弧导流板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1a、图1b所示，本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置的塔顶为封闭的平顶，高速自由射流风洞噪声控制装置的塔体为双层混凝土塔体1，在双层混凝土塔体1内腔，从下至上依次排列的多孔扩散管2、矩阵消声器3、倒锥吸声体4、防雨百叶装置5，以及用于检修矩阵消声器3的检修爬梯；高速风洞出口气流依次流经多孔扩散管2、矩阵消声器3和倒锥吸声体4，从防雨百叶装置5流出；
所述的双层混凝土塔体1为内外两层套装的方型管体，位于高速风洞出口，高速风洞出口伸入双层混凝土塔体1的长方体型空腔下部；双层混凝土塔体1沿内层壁面安装有钢架9，顶部安装有塔顶钢梁10；
如图2a、图2b、图2c、图2d所示，所述的多孔扩散管2为圆管结构，直径与高速风洞出口直径相等，左右对称安装在高速风洞出口，与高速风洞洞体形成T型管结构；多孔扩散管2的两端通过圆锥帽封堵，圆锥帽的顶点朝向管道内、位于多孔扩散管2的中心轴线上，圆锥帽的锥角为108°；多孔扩散管2的管体上开有阵列的通孔Ⅰ，通孔Ⅰ的流通面积为高速风洞出口截面积的1.5~2.0倍；
如图3a、图3b、图3c、图3d所示，所述的矩阵消声器3包括若干个固定在钢架9上、从下至上串列排列的消声器组合体6，消声器组合体6高度根据消声量需要确定，各消声器组合体6之间的垂直距离为L，L为矩阵消声器3之间等效直径的5~8倍；消声器组合体6的外部为长方体型框架，上、下表面为平行排列的筋条，四周为支撑梁架；消声器组合体6的内部阵列排列有若干个矩阵消声单元7；如图4a、图4b所示，矩阵消声单元7为竖直放置的长方体型壳体，四周表面开有阵列的通孔Ⅱ，上下两端通过四棱锥封闭，四棱锥的锥顶分别与长方体型框架上、下表面对应的筋条固定连接；上下两个相邻的消声器组合体6中的矩阵消声单元7交错对应；
如图5a、图5b所示，所述的倒锥吸声体4固定在塔顶钢梁10的下方，尖顶朝下，内部为倒锥骨架，倒锥骨架的顶面为长方形，与双层混凝土塔体1的长方形顶面相似，倒锥骨架的短边斜面为对称的等腰三角形，长边斜面为对称的等腰梯形；等腰三角形和等腰梯形上固定吸声体结构8；
如图6a、图6b、图6c、图6d所示，所述的防雨百叶装置5包括从下至上平行排列的若干层排雨檐11，各层排雨檐11的边缘与双层混凝土塔体1的长方形顶面的边缘平齐；每层排雨檐11包括骨架12和铝塑板13；每层骨架12包括从内至外平行排列的若干个长方形框架，最内侧的骨架12固定在钢架9上，长方形框架之间通过位于骨架12下方的加强筋固定连接，骨架12的上方的排布若干块铝塑板13；铝塑板13的竖直截面为楔形，楔形的上边和下边均是从内侧向外檐倾斜向下的直线段；上层铝塑板和下层铝塑板之间设置有进雨倾角α，防止雨水被风吹进双层混凝土塔体1内腔。
进一步地，所述的吸声体结构8为多层结构，从上往下依次为空气层、镀锌铅丝网、玻璃棉层、镀锌孔板，镀锌孔板面向气流；玻璃棉层采用若干内装玻璃棉的纤布袋填充。
进一步地，所述的矩阵消声单元7的水平截面为正方形，正方形的边长为S，矩阵消声单元7之间的间隔距离也为S。
进一步地，所述的防雨百叶装置5的排风口面积大于矩阵消声器3内的通流面积。
进一步地，所述的防雨百叶装置5的进雨倾角α的最大值为66.5°。
进一步地，所述的防雨百叶装置5的骨架12的下方即迎风面上包覆有如图7a、图7b、图7c所示的圆弧导流板14，用于气流导流。
进一步地，所述的消声器组合体6的长方体型框架和筋条的下方即迎风面上包覆有圆弧导流板14，用于气流导流。
进一步地，所述的消声器组合体6的矩阵消声单元7与筋条固定的位置进行局部加固，四棱锥的锥顶内部加装垫片，并设置若干个紧固螺钉。
进一步地，所述的检修爬梯分为多段，经过消声器组合体6的部段位于消声器组合体6内部，拆除对应的矩阵消声单元7放置检修爬梯，剩余部段安装在双层混凝土塔体1内腔的壁面上，各部段位置按照方便检修人员检修的路径设置。
在高速自由射流风洞的调试试验和型号试验过程中，对高速自由射流风洞噪声控制装置出口噪声进行了测试，测试结果表明：本发明的高速自由射流风洞噪声控制装置出口噪声为93.9dB，能够满足高速自由射流风洞的使用要求，没有损坏情况，消声降噪效果良好。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的高速自由射流压力匹配模式方法领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的高速自由射流风洞噪声控制装置的塔顶为封闭的平顶，高速自由射流风洞噪声控制装置的塔体为双层混凝土塔体（1），在双层混凝土塔体（1）内腔，从下至上依次排列的多孔扩散管（2）、矩阵消声器（3）、倒锥吸声体（4）、防雨百叶装置（5），以及用于检修矩阵消声器（3）的检修爬梯；高速风洞出口气流依次流经多孔扩散管（2）、矩阵消声器（3）和倒锥吸声体（4），从防雨百叶装置（5）流出；
所述的双层混凝土塔体（1）为内外两层套装的方型管体，位于高速风洞出口，高速风洞出口伸入双层混凝土塔体（1）的长方体型空腔下部；双层混凝土塔体（1）沿内层壁面安装有钢架（9），顶部安装有塔顶钢梁（10）；
所述的多孔扩散管（2）为圆管结构，直径与高速风洞出口直径相等，左右对称安装在高速风洞出口，与高速风洞洞体形成T型管结构；多孔扩散管（2）的两端通过圆锥帽封堵，圆锥帽的顶点朝向管道内、位于多孔扩散管（2）的中心轴线上，圆锥帽的锥角为108°；多孔扩散管（2）的管体上开有阵列的通孔Ⅰ，通孔Ⅰ的流通面积之和为高速风洞出口截面积的1.5~2.0倍；
所述的矩阵消声器（3）包括若干个固定在钢架（9）上、从下至上串列排列的消声器组合体（6），消声器组合体（6）高度根据消声量计算确定，各消声器组合体（6）之间的垂直距离为L，L为矩阵消声器（3）之间等效直径的5~8倍；消声器组合体（6）的外部为长方体型框架，上、下表面为平行排列的筋条，四周为支撑梁架；消声器组合体（6）的内部阵列排列有若干个矩阵消声单元（7）；矩阵消声单元（7）为竖直放置的长方体型壳体，四周表面开有阵列的通孔Ⅱ，上下两端通过四棱锥封闭，四棱锥的锥顶分别与长方体型框架上、下表面对应的筋条固定连接；上下两个相邻的消声器组合体（6）中的矩阵消声单元（7）交错对应；
所述的倒锥吸声体（4）固定在塔顶钢梁（10）的下方，尖顶朝下，内部为倒锥骨架，倒锥骨架的顶面为长方形，与双层混凝土塔体（1）的长方形顶面相似，倒锥骨架的短边斜面为对称的等腰三角形，长边斜面为对称的等腰梯形；等腰三角形和等腰梯形上固定吸声体结构（8）；
所述的防雨百叶装置（5）包括从下至上平行排列的若干层排雨檐（11），各层排雨檐（11）的边缘与双层混凝土塔体（1）的长方形顶面的边缘平齐；每层排雨檐（11）包括骨架（12）和铝塑板（13）；每层骨架（12）包括从内至外平行排列的若干个长方形框架，最内侧的骨架（12）固定在钢架（9）上，长方形框架之间通过位于骨架（12）下方的加强筋固定连接，骨架（12）的上方的排布若干块铝塑板（13）；铝塑板（13）的竖直截面为楔形，楔形的上边和下边均是从内侧向外檐倾斜向下的直线段；上层铝塑板和下层铝塑板之间设置有进雨倾角α，防止雨水被风吹进双层混凝土塔体（1）内腔。
2.根据权利要求1所述的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的吸声体结构（8）为多层结构，从上往下依次为空气层、镀锌铅丝网、玻璃棉层、镀锌孔板，镀锌孔板面向气流；玻璃棉层采用若干内装玻璃棉的纤布袋填充。
3.根据权利要求1所述的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的矩阵消声单元（7）的水平截面为正方形，正方形的边长为S，矩阵消声单元（7）之间的间隔距离也为S。
4.根据权利要求1所述的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的防雨百叶装置（5）的排风口面积大于矩阵消声器（3）内的通流面积。
5.根据权利要求1所述的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的防雨百叶装置（5）的进雨倾角α的最大值为66.5°。
6.根据权利要求1所述的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的防雨百叶装置（5）的骨架（12）的下方即迎风面上包覆有圆弧导流板（14），用于气流导流。
7.根据权利要求1所述的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的消声器组合体（6）的长方体型框架和筋条的下方即迎风面上包覆有圆弧导流板（14），用于气流导流。
8.根据权利要求1所述的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的消声器组合体（6）的矩阵消声单元（7）与筋条固定的位置进行局部加固，四棱锥的锥顶内部加装垫片，并设置若干个紧固螺钉。
9.根据权利要求1所述的高速自由射流风洞噪声控制装置，其特征在于，所述的检修爬梯分为多段，经过消声器组合体（6）的部段位于消声器组合体（6）内部，拆除对应的矩阵消声单元（7）放置检修爬梯，剩余部段安装在双层混凝土塔体（1）内腔的壁面上，各部段位置按照检修人员检修的路径设置。
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