边界层下不可压开口空腔的气动声学特性研究

© 2014 Jing Sun，Yingchun Chen，Guang-jun Yang，Yong Liang.由Elsevier B. V.出版，美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 9（2014）158 - 1642014年AASRI电路与信号处理会议（CSP 2014）边界层对不可压开口空腔孙静a*，杨广军b，梁勇a，c，陈迎春da西北工业大学航空学院，Xi摘要在低湍流度风洞中搭建了空腔流动研究的实验平台。通过在空腔内安装块体的方法，改变了边界层的形状，从而将剪切层拖出。通过实验获得了空腔底部沿中心线的平均静压分布和空腔壁面各测点的声谱特性，探讨了低速不可压缩流条件下边界层剖面变化对空腔（长深比分别为2和4）气动和声学特性的影响。结果表明，在30 m/s的速度下，随着边界层厚度的增加，平均压力增加，逆压梯度减小，对于L/D=2的空腔，声压级有所下降，当L/D增加到4时，声压级在中高频范围内显著增加。© 2014由Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责同行评议关键词：边界层;声压级;空腔;剪切层;气动声学特性* 孙静。联系电话：+86-029-8849-3808。电子邮件地址：sunjinglemon@nwpu.edu.cn基金项目：航空科学基金（2010ZA 53011、2011ZA 53013）西北工业大学基础基金（JC20110287）2212-6716 © 2014由Elsevier B.诉 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.09.025Jing Sun等人/ AASRI Procedia 9（2014）1581591. 介绍空泡绕流引起的振荡会使阻力大大增加，甚至导致结构振动和疲劳破坏。从噪声产生机理上准确识别振动是必要和迫切的。对于空腔内流动的研究，自20世纪50年代以来，国外进行了大量的实验研究。自20世纪80年代以来，数值模拟更多地用于与空腔流动机理和噪声分析相关的研究。国内对空泡流动的研究起步较晚，主要集中在小尺度空泡的数值模拟方面。气动中心对亚、超声速空腔的流动特性和声学特性进行了相应的实验研究。某些研究结果[1 - 7]表明，空泡的几何参数如长深比L/D、展弦比W/D以及流动参数如马赫数Ma或其他影响空泡剪切层不稳定性的因素，从而影响流动类型和噪声频谱特性。当低速湍流通过矩形空腔时，空腔内的流动非常复杂，产生的压力谱中既有宽带噪声，又有纯音。在低湍流度风洞中搭建了空泡实验平台，进行了空泡流噪声测量实验，为数值模拟提供了验证数据。本文着重研究了凹腔进气道边界层剖面的变化对凹腔流动气动声学特性的影响。采用壁面压力传感器、传声器和热线测量方法，以长深比为2和4的开口空腔为研究对象，通过不同的块体安装方式改变了入口边界层的分布。得到了不同进气边界层流动状态下空腔的声学特性，为空腔流动噪声抑制研究提供了依据。2. 实验模型开腔模型采用木结构。风洞试验段模型堵塞度约为8%。空腔的最大深度Dmax=116mm，最大长度Lmax=700mm，最大宽度Wmax=120mm。空腔模型如图1所示。模型与风洞壁面的接触面采用软泡沫填充，避免了局部气流上下交叉，同时减小了风洞振动对模型流场结构的影响。(a) 二维试验段（b）安装在风洞中的空腔模型图1。实验安装图160Jing Sun等人/ AASRI Procedia 9（2014）158通过沿流动方向分别从凹腔前缘或后缘堵塞凹腔，讨论了凹腔进口不同边界层对流动气动声学特性的影响。具体程序见表1。表1.实验方案L/DW/D长度（mm）一种砌块21232从前缘（或）2411232464从前缘（Rev）D= 116毫米从前缘（或）41464从前缘（Rev）沿整个腔体底板中心线，每隔10mm均匀分布静压孔。腔壁上布置有6个声探头：1个在后壁上，5个在底部，如图2所示：。图2. 空腔底部中心线上声探头不同测量位置对应的数字标记3. 实验设备实验是在西北工业大学低湍流度风洞中进行的。空腔试验采用断面尺寸为1.0m × 0.4m的二维试验段。本文所用风速为30 m/s。静压数据采集采用DSY 104扫描电子微压测量系统，该系统具有192个测压通道，通道扫描速率为50，000个/秒，系统精度为± 0. 1% F. S。动态压力谱的测量采用比利时LMS动态测量系统，该系统具有LMS SCM 01 Mobile 8通道数据采集前端，PCB声学传感器，型号为130 P10/D10，频率范围为10-15 KHz。用一维热线探针55P11测量了边界层等的微观参数。热线由高精度三坐标自动移动设备支撑，最小移动精度为0.01mm。风洞试验段上三轴设备的装配如图3所示。Jing Sun等人/ AASRI Procedia 9（2014）158161L/D=4位 置 位置图3. 配备三坐标高精度移动设备的风洞二维试验段4. 同一腔图4显示了在正常状态下安装块体的开放腔体（L/D=2和4）的不同测量点的腔体噪声特性。对于L/D=2和4，位置6是腔后壁上的测量点，位置1在腔底部的前部，测量点2和3分别在L / D = 2和4的底部中心，测量点3和4位于腔底部靠近后壁的位置。结果表明，辐射噪声频率集中在中低频区域，后墙是主要的噪声辐射区域。后壁声压级比底壁声压级高10dB以上，表现出峰值降低的宽带特性。对于L/D=2的空腔，整个底部位置都反映出强振荡频率峰值的流动特征。当长深比增大到4时，空腔噪声反映了基频的增加，当靠近后壁时，声压级增加到与后壁相同的数量级。12010012013461008080606040100 1000 10000f（Hz）100 1000 10000f（Hz）图4. 不同测点的空腔噪声特性L/D=2位置1位置2位置3位置6SPL（dB）SPL（dB）162Jing Sun等人/ AASRI Procedia 9（2014）1585. 进口边界层剖面在实验中，通过在空腔内垂直或反向安装挡块来改变空腔入口处的边界层分布。通过热线测量，得到了不同工况下的边界层速度分布。图5给出了流速v= 30 m/s时，空腔底部被抬起覆盖空腔时空腔底部沿中心轴线的静压。图6所示为L/D=2、4时的速度剖面比较，其中块体反向安装。图5表明，从正常前缘开始，空腔长度约20%的压力系数沿流动方向增加，即，存在逆压力梯度。之后，压力变为直线。这可能是由于模型制造工艺的限制，造成了弯曲前缘到凹腔进口的平面较短。平板可产生小的分离气泡，然后形成稳定的再附着湍流层。当砌块安装在空腔内时，L/D=2和4时空腔入口分别位于空腔全长的33%和66%处。从压力分布可以看出，在该位置，边界层充分发展。图6所示的边界层速度分布进一步表明，当块体安装后使剪切层开始向后时，速度分布随着边界层厚度的增加而变得更加丰满。0.40.20.0-0.20.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0X/L图5. 覆盖空腔底部中心线上的压力分布353025201510500.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0u/U’图6. 不同凹腔进气道的边界层速度分布V=30m/s正常ld2_revld4_revCPy（mmJing Sun等人/ AASRI Procedia 9（2014）158163L/D=2诺雷夫CP6. 边界层剖面对空腔流动针对长深比为2和4的两个空腔，进行了正向和反向安装块体的试验。得到了边界层变化对空泡流态的影响。底部的压力分布如图7所示。图7显示了边界层轮廓对空腔流动模式的显著影响。当块体安装后，边界层厚度增加，同时使整体压力显著上升，另一方面，逆压梯度减小。这表明，随着边界层湍流动能的增加，空腔剪切层的稳定性增强，空腔内的回流速度减弱。0.60.60.40.40.20.20.00.0-0.2-0.2图7. 进口边界层变化时空腔底部的压力分布图8显示了空腔入口处边界变化对噪声频谱的影响，测量位置分别位于底部中心和后壁。结果表明，后壁声压级略有增加，变化幅度小于3dB。当长深比为2时，底部中心声压级变化剧烈，随着边界层增厚，在较宽范围内（低频区小于600，高频区大于1,500），噪声辐射得到较大抑制，最大降幅约为10 dB。当长深比为4时，在中低频区，块体安装后声压略有降低，但在1000Hz附近，声压级随着边界层厚度的增加而增加。12010080100 100010000f（Hz）60100 1000 10000f（Hz）图8. 边界层变化对空腔声学特性的影响（V= 30 m/s）L/D=4诺雷夫120100L/D=2底部，也不是底部，Rev back，也不是806040L/D=4底部，也不是底部，Revback，也不是back，RevCPSPL（dB）SPL（dB）0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0 0.2 0.4 0.60.8 1.0X/LX/L164Jing Sun等人/ AASRI Procedia 9（2014）1587. 结论在此基础上，通过壁面压力测量、热线测量和声压采集，研究了不同来流边界条件下洁净空腔的气动声学特性，基本结论如下：(1) 随着边界层厚度的增加，空腔底部的压力大大增加，逆压梯度减小;(2) 当堵头安装时，对于开腔L/D=2，声压级大大降低;对于开腔L/D=4，低频声压降低幅度较小，而中高频声压显著增加。引用[1] 克拉伦斯·W罗利，蒂姆·科洛尼乌斯，等等。矩形空腔二维可压缩流的自持振荡。J.流体机械，455：315-346，2002.[2] Knisely，C.，罗克韦尔D冲击剪切层中的自持低频分量。J. Fluid Mech.116，157-186，1982.[3] Heller，H.H. Bliss，D.B. 空腔内流致压力脉动的物理机制及其抑制概念。AIAA Paper 75-491.[4] Roshko，A.矩形切口中流动的一些测量。NACA TN 3488，1955年。[5] Michael A. Kegerise和Eric F.斯皮纳空腔可压缩流中的模式转换和非线性效应。Physic of Fluids，16（3）：678-687，2004，[6] N. 乔卡尼空腔内流致振荡的临界综述。AIAA文件92-02-159。[7] 亚历山大·巴巴加洛，丹尼斯·西普，劳伦特·杰昆.用基于整体模态的简化模型控制不可压缩空腔流AIAA 2008-3904。