鋸齒形翅片對噴管流動及噪聲特性的影響分析

2011-02-23 07:02:00湯濤談力成張會生

裝備環境工程 2011年3期

湯濤，談力成，張會生

（上海交通大學，上海 200240）

氣流的起伏運動會產生空氣動力性噪聲。噴注噪聲是其中最常見的一種，如工業管道的排放氣、飛機噴氣等，它是噪聲污染的重要禍源。研究噴注噪聲并尋求改善途徑具有重要的現實意義。

一直以來，對噴注噪聲的研究方法以實驗手段為主，馬大猷等人利用實驗與理論結合的方法，對噴注噪聲進行過深入的研究，掌握了大量的實驗規律，并且建立了相對完整的實驗理論[1]。隨著計算流體力學技術及計算機技術的發展，數值模擬結合試驗手段已成為氣動噪聲研究的主要方法，并且數值模擬在預測及分析噪聲方面有很迅速的發展[4]。

筆者以發動機排氣系統為對象建立了2種噴管模型，用以分析鋸齒形翅片對噴注流場和噪聲特性的影響。

1 噴管排氣噪聲分析

氣流自噴口以一定速度噴射出來，離開噴口會產生卷吸作用，吸入周圍空氣與主流摻混，該過程產生的噪聲稱之為噴射噪聲。理想情況下亞聲速噴流結構如圖1 所示：噴口至5D（D 為噴管出口直徑）處是強烈的混合區，在此混合強烈，湍流強度高；射流核心結束處至10D處為過渡區，該區流動復雜；在射流10D 后區域，則為完全摻混區。研究表明噪聲大部分來自混合區[5]。

圖1 亞聲速噴流結構示意Fig.1 Schematic of subsonic jet

Lighthill從流動基本方程出發，根據湍流射流特性，推導出氣流中的湍動是聲的發射源，并通過理論計算得到著名的速度8次方定律：

式中：PT是噴流的總輻射聲功率；ρ是噴流氣體密度；ρ0是環境密度；D是噴管出口直徑；C0是環境聲速；v是氣流出口速度。

式（1）是針對亞聲速噴流的，表明排氣噴管的輻射聲功率與噴流的結構和噴流的速度（v）有關，這為降低噴注噪聲提供了理論基礎。

降低噴注噪聲主要是通過降低噴流速度或改變噴流結構來實現。通過改變噴流結構來降噪的方法大致有如下幾種：旁通氣流偏心與導流片使次流偏斜、鋸齒形出口（chervon nozzle)、微射流摻混等方式。這些都是從聲源上來降低或控制噪聲。

2 排氣噴管流場特性及噪聲預測

2.1 排氣噴管模型建立

筆者設計了2 種不同結構的噴管（如圖2 所示）來分析鋸齒形出口對噴管流場特性和噪聲特性的影響。為排除噴流速度的因素，采取“出口面積相同”的原則來確定噴管尺寸，即2 種噴管除了噴口形狀不同，其余結構參數都相同，分別命名為：Pipe.0（圓柱錐形出口），Pipe.2（鋸齒形出口）。

圖2 噴管結構Fig.2 Schematic of jet pipes

如圖3所示建立射流的幾何模型。整個射流區域自噴口出口處起，射流方向長度為20D，軸向方向為4D。因為模型具有部分對稱型，為節約計算機資源，在保證計算精度的情況下，文中的模擬沒有進行全尺寸建模，而是建立了1/6的模型。另外，根據噴射噪聲的發聲特點，建立圖4所示的梯形區域，以利于噪聲預測時噪聲源的選取[6]。

圖3 仿真計算模型Fig.3 Simulation model of jet pipes

圖4 邊界條件的定義Fig.4 Definition of bundary cnditions

2.2 流場分析

邊界條件：入口速度為22 m/s；射流區域邊界條件為壓力邊界，其值為大氣壓力。

湍流模型：大多數的噴注流動都是湍流情形[7]。針對湍流流動的特點，在現有的計算條件下，采用了Realizable k-ε模型，能夠達到計算的精確度。

對于噴注流場，給出了噴管流動模型中截面上的速度場及湍流強度場，來分析不同結構噴管的流動特性。

2.2.1 速度場

圖5和圖6分別給出了錐形噴管和鋸齒形翅片噴管射流場的中截面速度分布。從圖5，6來看，2種噴管流場都具有如下特點：1）射流混合區的內邊界相交形成一個核心區，這個核心區內速度不變；2）沿著射流方向，射流引入伴隨流進行摻混，使得混合區厚度逐漸增大；3）射流混合區后，軸向速度連續下降。

圖6 Pipe.2中截面速度分布Fig.6 Velocity distribution at x=0 cross section of pipe.2

相比之下，鋸齒形翅片使得射流情況發生了改變：1）pipe.2的射流核心長度較pipe.0短一些；2）Pipe.2較pipe.0混合段的速度下降較快。這是鋸齒形翅片引入的擾流作用，使得主流卷吸了更多的空氣摻混。

2.2.2 湍流強度場

圖7 和圖8 分別給出了2 種噴管噴射流場的中截面湍流強度分布，可以看出pipe.2較pipe.0在噴管出口、混合段的湍流強度有所降低。這是鋸齒形翅片伸入到噴注流體中，引入了渦流改變噴流的摻混的結果。這表明噴管出口處加裝鋸齒形翅片后會引入流向渦，會改變噴流的流動特性。具體有以下表現：1）改變了射流核心長度；2）增加了卷吸的環繞空氣量，改變了主氣流和卷吸氣流的摻混過程。

圖7 Pipe.0中截面湍流強度分布Fig. 7 Turbulent intensity distribution at x=0 cross section of pipe.0

圖8 Pipe.2中截面湍流強度分布Fig. 8 Turbulent intensity distribution at x=0 cross section of pipe.2

2.3 噪聲預測

聲學理論表明媒質中質點受到聲波作用時，會不斷地產生壓力強弱變化。聲壓是媒介中壓力超過靜壓的值，一般指有效聲壓，一定時間間隔內瞬時聲壓的均方根值見式（2）。數值模擬可以得到指定位置的聲壓信息，為噴注噪聲預測提供了可能。

式中：p（t）為瞬時聲壓，N/m2。

噴流時2 股流體在噴口處形成的間斷面不穩定，會出現漩渦，并且2股流體之間發生動量、質量、能量的交換，因而會發出很大的噪聲。研究表明噴氣噪聲與氣流的結構有關[7]，而出口處鋸齒狀翅片的引入，使得噴流的流動情況改變了，因此會導致噴注噪聲的變化。

FLUENT 中噴注噪聲預測的關鍵在于找到聲源。依據噴流噪聲的特點，聲源選取如下區域（如圖4 所示）：起始于噴口處，直徑為3 倍出口直徑，直線段為12 倍出口直徑，末端直徑為6 倍出口直徑的一個漸擴區域。為了得到噴管的近場聲壓級信息，需要布置相應的聲壓力接收點，如圖9 所示呈陣列布置：這些點自噴口出口面起，沿著軸向和徑向方向布置，并保證位于噴口的壓力邊界之外[8]。