CN114608789A - 一种研究喷流噪声及声传播的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，目的是为了研究低压环境下的喷流噪声产生机制，同时分析声波在低压气体和不同压力梯度管道内的声传播特性（也考虑喷流噪声在密封空间的声反射与声折射效应），采用泄压复压装置原理与喷流噪声理论，对喷流喷管进行设计，以及对喷流喷管喷口设计压力容器实现超声喷流现象。本发明不仅可研究喷管喷口以及喷口下游区域的稳态以及准稳态流场与声场信息，而且还能研究喷口区域压力由低压恢复至罐体外部压力时的瞬态流场与声场信息，在罐体外部的噪声来源于喷管喷口处的喷流噪声以及管道内部流体噪声，可研究声波在管道内部沿着气流流动的逆向传播特性。

Description

一种研究喷流噪声及声传播的试验方法

技术领域

本发明属于喷流噪声试验技术领域，具体涉及到一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，用于研究喷流在低压环境下的噪声特性与该噪声在管道系统中的传播特性。

背景技术

喷流噪声产生机理研究目前主要依托喷流试验平台与数值仿真计算开展了大量工作，主要研究对象为发动机类相关产品（但也有少量研究火箭发射时的喷流噪声，如公开的专利CN109974847A）。试验方面，主要通过调整气源装置参数改变喷口的喷流速度，研究发动机的喷流准稳态过程噪声产生机理，并通过优化设计喷口构型来降低喷流噪声强度（如公开的专利CN 103133180B和CN 210893411U）。数值仿真计算方面，则通过高精度算法捕捉准稳态喷流状态下的湍流结构、噪声源分布以及喷流下游区域的噪声辐射特性，并且还研究了声波与喷流噪声源（包括激波、旋涡等）的相互作用。

通过喷流噪声的试验与仿真计算研究工作，研究学者们归纳总结了亚声速与超声速等喷流噪声的产生机理与快速预测，为降低工程上的喷流噪声提供了理论与数据支撑。但需强调的是，目前喷流噪声的研究工作，喷口速度由进口区域的气流速度来控制，且处于喷口下游与进口区域的大气环境均为常压（或进口与出口边界条件分别为高压与低压，或进口与出口边界条件分别常温与高温）。同时，目前的研究成果主要是针对喷流的准稳态气流的研究获得的，不管是噪声产生机理还是声波与气流的相互干涉，均是为了研究发动机的喷流噪声产生机制并发展相应的降噪技术。

目前，实现低压空气环境的试验装置，常用空气泄压与复压系统（如公开的专利CN109827718B）来实现，主要目的是为了使一个密闭空间内部的压力通过泄压装置由常压至低压，通过复压装置使低压恢复至常用。

发明内容

本发明的目的是为了研究低压环境下的喷流噪声产生机制，同时分析声波在低压气体和不同压力梯度管道内的声传播特性（也考虑喷流噪声在密封空间的声反射与声折射效应），根据泄压复压装置原理与喷流噪声理论，进而提出的一种与传统发动机喷流噪声不同的试验设计方法。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，包括以下步骤：

S1:按照超声速喷流理论，确定喷管出口与进口两者的压差力；

S2:按照管道流动与可压缩性流体理论，确定喷管截面构型；

S3:通过在喷管中设置流量控制装置来调节喷管内部气流的流通量；

S4:通过配备温度、压力、流场显示与噪声测量功能模块，监测喷流与喷流噪声特性和声传播属性。

在上述技术方案中，所述喷管出口与进口两者的压差力由压比确定，压比的确定方法如下：

S11: 确定喷管喷口区域的速度系数:

，其中:

为气流速度，

为临界声速，k为比热比系数，R为空气气体常数，T为总温；

S12: 根据速度系数与马赫数的关系，确定喷口区域马赫数：

；

S13:确定喷管喷口与进口的压比：

,其中

是喷管进口总压，

是喷管出口总压。

在上述技术方案中，当仅考虑喷管进口气流速度为亚声速情况时，喷管截面构型确定方法如下：

S21: 根据等熵变截面管道流动理论，流量函数与喷管喷口截面面积的乘积为一个常数，所述流量函数在亚声速时速度增大，在超声速时速度减小，所述收缩喷管，极限状态喷口速度为声速，排出该管道构型；

S22: 当管道构型为收缩扩张管道时，根据等熵流动关系式

，其中

分别为进口、喉道、喷口的出口静压，

分别为进口、喉道、喷口的速度系数，

分别为喉道、喷口的截面面积，

决定

值，

与

一起决定

，通过调节

改变喷管喷口以及喷管内部的流速。

一种喷流试验方法，包括以下步骤：

A1：在喷流管道出口下游区域设置一个密闭的压力容器，压力容器与喷流管道连接，所述压力容器的内外压差为零，且为常压；

A2：对压力容器内进行泄压，由常压变为低压，直到压力容器内部压力处于稳定状态；

A3：打开压力容器，压力容器复吸喷流管道外部的气流，压力容器内逐步恢复压力，减小内外压力差；

A4：在压力容器复吸过程中，对喷流管道的喷口处产生的超声速至低速的喷流现象和喷流噪声进行测量和试验。

在上述技术方案中，进行试验方法的结构包括：相互连接的喷流管道和压力容器罐，所述喷流管道内设置有流量调节阀，所述压力容器罐上设置有真空泵，所述压力容器罐内设置有能够移动的测量单元阵列。

在上述技术方案中，所述喷流管道为拉瓦尔喷管构型，所述真空泵设置在拉瓦尔喷管出口处，所述流量调节阀设置在拉瓦尔喷管进口区域。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用的研究喷流噪声以及声传播特性的试验设计方法，不仅可研究喷管喷口以及喷口下游区域的稳态以及准稳态流场与声场信息，而且还能研究喷口区域压力由低压恢复至罐体外部压力时的瞬态流场与声场信息。同时，若罐体的隔声性能较好，还可分析喷管喷口区域产生的喷流噪声在罐体内部的声反射与声折射等声学现象。此时，在罐体外部的噪声来源于喷管喷口处的喷流噪声以及管道内部流体噪声，可研究声波在管道内部沿着气流流动的逆向传播特性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是为喷流噪声试验方法示意图；

图2拉瓦尔喷管示意图

图3喷流噪声研究试验平台结构图；

图4复压过程中某监测点的脉动压力值。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

根据发明的技术方案，在本实施例中，当在常温环境时，取T=23℃，比热比k=1.4，计算可得临界声速

，此时声速小于我们常见的340m/s；当取喷管喷口流速为545m/s，此时可得速度系数

，可实现喷口气流速度2.3马赫数，进而可确定喷流喷管喷口与出口的压比值需小于0.5，压比越低越易于在喷口区域形成超声速气流.需注意的是，此时喷流喷管喷口下游的空气流通区域应足够大。

如图1所示，根据试验设计方法，为了使足够多的气流进入喷流管道内部，并通过喷口流出形成喷流，喷流管道进口上游与下游区域均需有足够大的空气域空间。为了研究喷流噪声的声反射与声折射等声学现象，本案例在喷流管道喷口下游区域设置体积足够大的压力容器罐；为了使喷流管道进口上游区域满足足够大的空气域空间要求，本案例可使该区域直接裸露于外部空间，此时外部空气域满足要求。气流将由喷流喷管进口进入，喷流喷管喷口流出，不断注入喷口下游区域的压力容器罐内部。

在本实施例中，根据设计方法设计出的喷流管道选取拉瓦尔喷管构型，如图2所示，根据等熵流动关系式

，通过调节

改变喷管喷口以及喷管内部的流速选取合适参数实现超声速喷流流体。当在喷管进口施加

（标准大气压下马赫数Ma=0.06）的速度边界条件，在喷流喷管经过喉道达到扩张段后可形成超声速流体，进而可产生超声速喷流噪声。

根据试验设计方法，在拉瓦尔喷管出口处设置真空泵，用于对喷口下游区域的压力容器罐进行抽吸空气操作，使内部压力由常压泄压至低压；在拉瓦尔喷管进口区域设置电磁阀，用于控制喷口进口区域的气流进入以及喷口下游区域压力容器罐压力的稳定。过在罐体内部设置可移动的温度阵列、压力阵列与传声器阵列可有效监测喷管喷口下游以及整个罐体内部的温度场、压力场与声场信息；通过在罐体外部配备的流场显示装置PIV，可监测罐体内部的流场信息；通过喷管进口上游区域设置传声器阵列，可实现该区域的声场信息提取，如图3所示。

具体的试验过程为：

首先对压力容器罐内部的空气进行抽吸操作，通过真空泵对罐体内部空气进行抽真空来实现。此时，罐体内部压力为低压，罐体外部为常压，喷流喷管中的阀门此时处于关闭状态；整个压力容器罐内部的气压不断降低。

其次，当压力容器罐内部与外部的压差达到要求值时，且压力容器罐内部气压稳定，随即打开喷管中的阀门装置，此时气流由喷管进口沿着管道内部进入罐体内部，在喷流喷管出口区域形成超声速喷流现象。

喷流管道喷口与下游区域将形成喷流噪声，并在压力容器罐内产生声反射与折射等声学现象，结合内部的可移动的温度阵列、压力阵列与传声器阵列测试数据与仿真计算，可对这些声学信息进行提取；本案例压力容器罐的隔声性能较好，声波将沿着管道内部气流流动方向逆向传播至压力容器罐外部，通过该试验设计方法设计的试验平台，可有效捕捉该声学信息。

在喷口下游区域的压力容器罐内的压力由低压恢复至常压的过程，因压力差的驱动下，气流由喷流喷管进口进入，沿着喷口流出，该喷流为一个瞬态非线性过程。图4为某监测点的脉动压力值。试验结果表明整个喷流过程中伴随着脉动压力的阶梯式跃变物理现象，将同时出现了超声速、亚声速与低速等多个喷流试验现象。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

S1:按照超声速喷流理论，确定喷管出口与进口两者的压差力；

S2:按照管道流动与可压缩性流体理论，确定喷管截面构型；

S3:通过在喷管中设置流量控制装置来调节喷管内部气流的流通量；

S4:通过配备温度、压力、流场显示与噪声测量功能模块，监测喷流与喷流噪声特性和声传播属性。

2.根据权利要求1所述的一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，其特征在于所述喷管出口与进口两者的压差力由压比确定，压比的确定方法如下：

S11: 确定喷管喷口区域的速度系数:

，

其中:

为气流速度，

为临界声速，k为比热比系数，R为空气气体常数，T为总温；

S12: 根据速度系数与马赫数的关系，确定喷口区域马赫数：

S13:确定喷管喷口与进口的压比：

，

其中

是喷管进口总压，

是喷管出口总压。

3.根据权利要求1所述的一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，其特征在于当仅考虑喷管进口气流速度为亚声速情况时，喷管截面构型确定方法如下：

S21: 根据等熵变截面管道流动理论，流量函数与喷管喷口截面面积的乘积为一个常数，所述流量函数在亚声速时速度增大，在超声速时速度减小，所述收缩喷管，极限状态喷口速度为声速，该管道构型不符合要求；

S22: 当管道构型为收缩扩张管道时，根据等熵流动关系式

，其中

分别为进口、喉道、喷口的出口静压，

分别为进口、喉道、喷口的速度系数，

分别为喉道、喷口的截面面积，

决定

值，

与

一起决定

，通过调节

改变喷管喷口以及喷管内部的流速。

4.采用如权利要求1-3任一所述的一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

A1：在喷流管道出口下游区域设置一个密闭的压力容器，压力容器与喷流管道连接，所述压力容器的内外压差为零，且为常压；

A2：对压力容器内进行泄压，由常压变为低压，直到压力容器内部压力处于稳定状态；

A3：打开压力容器，压力容器复吸喷流管道外部的气流，压力容器内逐步恢复压力，减小内外压力差；

A4：在压力容器复吸过程中，对喷流管道的喷口处产生的超声速至低速的喷流现象和喷流噪声进行测量和试验。

5.根据权利要求1所述的一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，其特征在于：进行试验方法的结构包括相互连接的喷流管道和压力容器罐，所述喷流管道内设置有流量调节阀，所述压力容器罐上设置有真空泵，所述压力容器罐内设置有能够移动的测量单元阵列。

6.根据权利要求5所述的一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，其特征在于所述喷流管道为拉瓦尔喷管构型，所述真空泵设置在拉瓦尔喷管出口处，所述流量调节阀设置在拉瓦尔喷管进口区域。

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