CN117740308B - 控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高速风洞试验技术领域，公开了一种控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法及装置。扰流方法包括：进行大尺度高速射流数值仿真，确定喷管口剪切层厚度；设计高速自由射流风洞扰流装置；进行高速自由射流风洞扰流试验；获得控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流结果。扰流装置包括沿高速自由射流风洞的喷管出口周向布置的若干个通过接口顺序连接的整流条；每个整流条包括法兰板和若干个固定在法兰板上的等腰三角形锯齿；全部等腰三角形锯齿呈中心对称分布。法兰板固定在高速自由射流风洞的喷管出口；各等腰三角形锯齿的尖点嵌入喷管口剪切层的浸入深度相等。扰流方法和装置减少了气动干扰，有效控制了大尺度高速射流噪声。
Description
技术领域
本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法及装置。
背景技术
相比传统的闭口试验段风洞，高速自由射流风洞的试验区流场没有固壁边界约束，试验模型阻塞度可达30%以上，且安装方式灵活多样。因此，高速自由射流风洞是开展推进/机体一体化、内埋武器分离特性、高机动飞行气动/运动耦合特性、动态开伞/舵等评估试验的重要特种风洞设备。
高速自由射流风洞的试验舱流场较为特殊：一方面，大尺度高速射流从喷口流出后强烈冲击和卷吸试验舱低速气流，在剪切层中形成周期性的涡脱落，脱落涡在剪切层中不断发展、加强和失稳；另一方面，脱落涡发展的涡结构与下游的收集器唇口或内壁面发生碰撞干扰形成压力扰动，压力扰动将以当地声速与剪切层迁移速度的差值向上游反馈/传播至喷管出口，触发新的涡脱落，从而形成一个封闭的反馈环路。剪切层脱落涡及反馈环路的形成具有时间周期性，在试验舱大尺度空间射流场中表现为强烈的低频噪声，引发试验舱静压波动过大，影响高速自由射流风洞马赫数控制的跟随性，破坏了试验舱流场的动态品质；同时，强烈的低频噪声还易于与试验舱结构部件或试验模型发生共振，造成结构破坏，从而威胁高速自由射流风洞的安全运行。可见，控制试验舱大尺度高速射流的低频噪声对于高速自由射流风洞流场品质提升、安全运行、试验方案制定等具有重要的现实意义。
目前，试验舱射流场的低频噪声控制措施主要针对低速开口风洞（包括声学风洞，试验马赫数Ma<0.3）来设计，一般在低速开口（声学）风洞的喷管出口采用各种结构形式的扰流装置，如矩形片、立方体/锥等结构形式，或者在喷管出口内壁面安装涡流发生器。这些扰流装置均以一定深度直接浸入喷管出口的低速流场，通过诱导一系列新的涡结构，打破剪切层原有的涡结构，干扰剪切层脱落涡及反馈环路的形成，从而控制低速开口风洞试验舱的低频噪声。由于低速条件下的喷口边界层/剪切层厚度较厚、能量较低，不会产生较为明显的气动干扰，因此扰流装置对射流中心流场影响较小。
但是，这些低速开口风洞的扰流装置均不能用于高射射流风洞试验舱低频噪声的控制，原因在于，高速条件下的喷管口边界层/剪切层厚度较薄、能量较高，如果扰流装置浸入流场较深的深度会产生强烈的气动干扰，缩短高速射流核心区的长度。
当前，亟需发展一种控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法及装置。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流扰流方法，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流扰流装置，用于控制高速自由射流风洞的大尺度高速射流噪声。
本发明的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法，包括以下步骤：
S10.进行大尺度高速射流数值仿真，确定喷管口剪切层厚度；
根据高速自由射流风洞的马赫数Ma范围，选取典型马赫数进行大尺度高速射流数值仿真，确定喷管口剪切层厚度；
S20.设计高速自由射流风洞扰流装置；
根据高速自由射流风洞喷口结构，设计与高速自由射流风洞匹配的扰流装置，确定扰流装置的结构、扰动块形状以及扰动块喷管口剪切层的浸入深度；
S30.进行高速自由射流风洞扰流试验；
在高速自由射流风洞中，通过改变马赫数Ma、扰动块形状、以及扰动块嵌入喷管口剪切层的深度，获得不同射流长度Lj条件下的试验舱中心区流场噪声频谱，分析包括涡脱落、涡收集器干扰反馈在内的特征频率；
S40.获得控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流结果；
根据高速自由射流风洞扰流试验，获得各典型马赫数下，最佳的喷口微嵌入度扰流装置，用于高速自由射流风洞试验。
本发明的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置，其特点是，所述的喷口微嵌入度扰流装置包括沿高速自由射流风洞的喷管出口周向布置的若干个整流条，各整流条之间通过接口顺序连接；每个整流条包括法兰板和若干个固定在法兰板上的等腰三角形锯齿；全部等腰三角形锯齿呈中心对称分布；
法兰板固定在高速自由射流风洞的喷管出口，法兰板顶面与喷管出口平齐且光滑过渡；
各等腰三角形锯齿的尖点顺气流向前，尖点与法兰板顶面之间的距离为等腰三角形锯齿嵌入喷管口剪切层的浸入深度h，各等腰三角形锯齿尖点的浸入深度h相等。
进一步地，所述的浸入深度h具有一系列数值。
进一步地，所述的法兰板和等腰三角形锯齿的材质均为Q345R。
进一步地，所述的法兰板上设置有若干个螺钉孔和销钉孔，法兰板通过销钉定位、螺钉紧固的方式固定在高速自由射流风洞的喷管出口。
进一步地，所述的等腰三角形锯齿焊接固定在法兰板上。
进一步地，所述的等腰三角形锯齿尺寸公差不大于0.05mm，平面粗糙度不低于1.6μm，与法兰板顶面的垂直误差不大于0.05mm。
本发明的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法及装置采用微嵌入度锯齿，微嵌入度锯齿浸入流场的深度小于喷管口射流剪切层的厚度，微嵌入度锯齿增加了剪切层的掺混，同时减少了对高速射流核心区的流动干扰，达到试验舱亚跨声速射流场噪声有效值最高降低22%、关键特征脉动最高降低41%的技术效果，减少了对高速射流核心区的气动干扰，有效控制了大尺度高速射流噪声。
附图说明
图1a为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的结构示意图（水平整流条立体图）；
图1b为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的结构示意图（水平整流条侧视图、浸入深度0mm）；
图1c为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的结构示意图（水平整流条侧视图、浸入深度5mm）；
图1d为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的结构示意图（水平整流条侧视图、浸入深度15mm）；
图2a为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的结构示意图（竖直整流条立体图）；
图2b为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的结构示意图（竖直整流条侧视图、浸入深度0mm）；
图2c为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的结构示意图（竖直整流条侧视图、浸入深度5mm）；
图2d为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的结构示意图（竖直整流条侧视图、浸入深度15mm）；
图3为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置在高速自由射流风洞喷管出口的安装示意图；
图4a为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置对试验舱射流噪声控制效果频谱图（Lj=4m、Ma=0.5、浸入深度5mm）；
图4b为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置对试验舱射流噪声控制效果频谱图（Lj=4m、Ma=0.85、浸入深度5mm）；
图4c为本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置对试验舱射流噪声控制效果频谱图（Lj=8m、Ma=0.85、浸入深度15mm）；
图5a为未安装本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的试验舱射流场涡结构分布云图（无扰流装置）；
图5b为安装本发明控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置的试验舱射流场涡结构分布云图（有扰流装置、Lj=8、Ma=0.85、浸入深度15mm）。
图中，1.整流条；2.法兰板；3.法兰板顶面；4.等腰三角形锯齿；5.螺钉孔；6.销钉孔；7.卡槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法，包括以下步骤：
S10.进行大尺度高速射流数值仿真，确定喷管口剪切层厚度；
根据高速自由射流风洞的马赫数Ma范围，选取典型马赫数进行大尺度高速射流数值仿真，确定喷管口剪切层厚度；
S20.设计高速自由射流风洞扰流装置；
根据高速自由射流风洞喷口结构，设计与高速自由射流风洞匹配的扰流装置，确定扰流装置的结构、扰动块形状以及扰动块喷管口剪切层的浸入深度；
S30.进行高速自由射流风洞扰流试验；
在高速自由射流风洞中，通过改变马赫数Ma、扰动块形状、以及扰动块嵌入喷管口剪切层的深度，获得不同射流长度Lj条件下的试验舱中心区流场噪声频谱，分析包括涡脱落、涡收集器干扰反馈在内的特征频率；
S40.获得控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流结果；
根据高速自由射流风洞扰流试验，获得各典型马赫数下，最佳的喷口微嵌入度扰流装置，用于高速自由射流风洞试验。
本发明的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置，其特点是，所述的喷口微嵌入度扰流装置包括沿高速自由射流风洞的喷管出口周向布置的若干个整流条1，各整流条1之间通过接口顺序连接；每个整流条1包括法兰板2和若干个固定在法兰板2上的等腰三角形锯齿4；全部等腰三角形锯齿4呈中心对称分布；
法兰板2固定在高速自由射流风洞的喷管出口，法兰板顶面3与喷管出口平齐且光滑过渡；
各等腰三角形锯齿4的尖点顺气流向前，尖点与法兰板顶面3之间的距离为等腰三角形锯齿4嵌入喷管口剪切层的浸入深度h，各等腰三角形锯齿4尖点的浸入深度h相等。
进一步地，所述的浸入深度h具有一系列数值。
进一步地，所述的法兰板2和等腰三角形锯齿4的材质均为Q345R。
进一步地，所述的法兰板2上设置有若干个螺钉孔5和销钉孔6，法兰板2通过销钉定位、螺钉紧固的方式固定在高速自由射流风洞的喷管出口。
进一步地，所述的等腰三角形锯齿4焊接固定在法兰板2上。
进一步地，所述的等腰三角形锯齿4尺寸公差不大于0.05mm，平面粗糙度不低于1.6μm，与法兰板顶面3的垂直误差不大于0.05mm。
实施例1：本实施例的高速自由射流风洞的马赫数Ma范围为0.3~3.5，喷管出口为2m*2m，采用“直流下吹”结合“排气引射”的总体布局方案，试验舱为开式布局，试验舱内径10m、长度12.5m。
如图1a~图1d、图2a~图2d所示，整流条1包括固定在喷管出口上下边框的水平整流条和固定在喷管出口左右边框的竖直整流条；水平整流条通过卡槽7定位在喷管出口的上下边框上，再通过螺钉紧固的方式固定；竖直整流条通过销钉定位、螺钉紧固的方式固定在喷管出口的左右边框上。水平整流条和竖直整流条之间通过矩形缺口搭接。各整流条1长2200mm，法兰厚度25mm，每个整流条1的前后两端分别布置3个等腰三角形锯齿4；各等腰三角形锯齿4高100mm、宽80mm、厚度10mm、间距115mm；各等腰三角形锯齿4尖点的浸入深度h为0mm、5mm、15mm。
如图3所示，整流条1安装在高速自由射流风洞喷管出口。
高速自由射流风洞扰流试验结果显示，浸入深度0mm对试验舱射流场噪声影响微弱，浸入深度5mm、15mm的等腰三角形锯齿4效果较好，分别适用于不同的射流长度Lj和马赫数Ma。
如图4a所示，等腰三角形锯齿4浸入深度5mm时：Lj=4m时有效，对Ma0.5射流近场主流区噪声影响不大，但显著降低了远场次流区的涡-收集器干扰反馈特征脉动（19Hz）达41%（4.6dB）；降低Ma0.85射流主流区噪声有效值超22%（2.2dB），而涡脱落特征脉动（61Hz）的抑制效果达40%（4.4dB）。
如图4b、图4c所示，等腰三角形锯齿4浸入深度15mm时：Lj=8m时有效，对Ma0.85射流场噪声影响明显，近场主流区噪声有效值降低约10%（1dB），涡-收集器干扰反馈（15Hz）、涡脱落（61Hz）特征脉动分别降低了约40%（4.4dB）、20%（2.0dB）。
等腰三角形锯齿4能诱导剪切层脱落涡，打破射流以展向涡为主的周向结构，增加射流的掺混，从而降低流场的压力脉动，特别是低频压力脉动。图5a、图5b分别给出了马赫数Ma为0.85、射流长度Lj =8m条件下，无扰流装置和有扰流装置情况下，高速自由射流风洞喷管出口的涡脱落结构云图对比，Q准则表示一种涡识别的量。分析可知，与单独试验舱涡结构分布云图对比，喷管锯齿处理能降低射流剪切层的大尺度拟序涡结构，优化了试验舱流场；射流剪切层与收集器内壁面边界层干扰减弱了，边界层厚度降低了，相当于增加了收集器对来流的捕获面积，增加了射流的稳定性。由此可见，等腰三角形锯齿4有助于提高高速自由射流风洞的流场品质。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，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，本发明公开的所有特征，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，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.进行大尺度高速射流数值仿真，确定喷管口剪切层厚度；
根据高速自由射流风洞的马赫数Ma范围，选取典型马赫数进行大尺度高速射流数值仿真，确定喷管口剪切层厚度；
S20.设计高速自由射流风洞扰流装置；
根据高速自由射流风洞喷口结构，设计与高速自由射流风洞匹配的扰流装置，确定扰流装置的结构、扰动块形状以及扰动块喷管口剪切层的浸入深度；
S30.进行高速自由射流风洞扰流试验；
在高速自由射流风洞中，通过改变马赫数Ma、扰动块形状、以及扰动块嵌入喷管口剪切层的深度，获得不同射流长度Lj条件下的试验舱中心区流场噪声频谱，分析包括涡脱落、涡收集器干扰反馈在内的特征频率；
S40.获得控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流结果；
根据高速自由射流风洞扰流试验，获得各典型马赫数下，最佳的喷口微嵌入度扰流装置，用于高速自由射流风洞试验。
2.控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置，其通过权利要求1所述的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流方法获得，其特征在于，所述的喷口微嵌入度扰流装置包括沿高速自由射流风洞的喷管出口周向布置的若干个整流条（1），各整流条（1）之间通过接口顺序连接；每个整流条（1）包括法兰板（2）和若干个固定在法兰板（2）上的等腰三角形锯齿（4）；全部等腰三角形锯齿（4）呈中心对称分布；
法兰板（2）固定在高速自由射流风洞的喷管出口，法兰板顶面（3）与喷管出口平齐且光滑过渡；
各等腰三角形锯齿（4）的尖点顺气流向前，尖点与法兰板顶面（3）之间的距离为等腰三角形锯齿（4）嵌入喷管口剪切层的浸入深度h，各等腰三角形锯齿（4）尖点的浸入深度h相等。
3.根据权利要求2所述的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置，其特征在于，所述的浸入深度h具有一系列数值。
4.根据权利要求2所述的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置，其特征在于，所述的法兰板（2）和等腰三角形锯齿（4）的材质均为Q345R。
5.根据权利要求2所述的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置，其特征在于，所述的法兰板（2）上设置有若干个螺钉孔（5）和销钉孔（6），法兰板（2）通过销钉定位、螺钉紧固的方式固定在高速自由射流风洞的喷管出口。
6.根据权利要求2所述的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置，其特征在于，所述的等腰三角形锯齿（4）焊接固定在法兰板（2）上。
7.根据权利要求2所述的控制大尺度高速射流噪声的喷口微嵌入度扰流装置，其特征在于，所述的等腰三角形锯齿（4）尺寸公差不大于0.05mm，平面粗糙度不低于1.6μm，与法兰板顶面（3）的垂直误差不大于0.05mm。
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