噴管對脈沖爆轟發動機爆轟噪聲影響的實驗研究

許桂陽,翁春生,李寧

(南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室,江蘇南京 210094)

噴管對脈沖爆轟發動機爆轟噪聲影響的實驗研究

許桂陽,翁春生,李寧

(南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室,江蘇南京 210094)

噴管不但可以增加脈沖爆轟發動機推力,而且對脈沖爆轟發動機噪聲的形成與傳播也具有重要作用。為探索脈沖爆轟發動機爆轟噪聲形成機理及控制技術,搭建了脈沖爆轟發動機噪聲測試實驗系統,在不同位置不同角度對3種不同類型噴管的脈沖爆轟發動機爆轟噪聲特性進行了研究。研究結果表明,收斂擴張噴管對于減小脈沖爆轟發動機爆轟噪聲幅值作用最為明顯,在0°方向3 000 mm處可以達到77.13%的降幅;對于收斂噴管,收斂角度越大指向性越明顯,而擴張和收斂擴張噴管的噴管出口面積越大指向性越不明顯;喉部直徑48 mm的收斂擴張噴管與管口直徑280 mm和320 mm的擴張噴管對參考半徑影響最為顯著,參考半徑由1 600 mm減小至800 mm.研究結果對于爆轟噪聲機理研究以及脈沖爆轟發動機工程化應用具有重要參考意義。

兵器科學與技術;脈沖爆轟發動機;噪聲輻射;指向性;噴管

0 引言

國外學者對帶噴管的PDE爆轟噪聲開展了相關研究。Allgood等以乙烯為燃料、氧氣為氧化劑,進行PDE爆轟噪聲實驗,研究了噴管面積與PDE管口面積之比分別為0.6、1.6、2.3和4.0時對PDE爆轟遠場噪聲的影響,發現收斂噴管能減小所有方向的爆轟噪聲,擴張噴管也能減小爆轟噪聲[4]。Glaser等進一步研究了擴張噴管對PDE爆轟遠場噪聲的影響,在其實驗條件下,得到了當擴張噴管與PDE管徑比為3、噴管入口距PDE管尾部為一倍管徑時具有最佳的降噪效果的結論[5]。文獻[6-7]通過實驗得到鋸齒形噴管能有效減少射流噪聲。Glaser等提出了當填充率小于1時全螺紋的噴管能降低上游的總聲壓,放大下游的總聲壓,當填充率等于1時,全螺紋噴管能輕微減少所有方向上的總聲壓。管壁帶孔的噴管增加上游總聲壓級,降低下游的總聲壓級[8]。

國內對于帶噴管的PDE爆轟噪聲研究相對較少。鄭龍席等研究了微穿孔的消音噴管對PDE爆轟噪聲的影響,發現單/雙層微穿孔消聲噴管對脈沖爆震發動機噪聲輻射的降低都有一定的作用,雙層結構優于單層結構;消聲噴管越長,消聲效果越好[9]。

本文在前人研究的基礎上,通過實驗研究了收斂、擴張以及收斂擴張噴管3種噴管對PDE爆轟噪聲的影響,分析了不同噴管結構條件下PDE噪聲形成發展過程,深入探討了噴管對PDE爆轟噪聲幅值、指向性、參考半徑以及頻譜的影響,研究結果對PDE爆轟噪聲形成機理及控制技術研究具有重要意義。

1 實驗方法和實驗方案

為了研究噴管對PDE爆轟噪聲的影響,搭建了PDE爆轟噪聲測試實驗系統,主要由PDE實驗裝置、點火控制系統以及測試系統組成,如圖1所示。

圖1 PDE爆轟噪聲實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

實驗中PDE管內徑為80 mm,以汽油為燃料,壓縮空氣和壓縮氧氣為氧化劑。壓縮空氣和壓縮氧氣在PDE頭部以切向方式進氣,汽油是通過精細霧化噴嘴和文氏管進行霧化。點火控制系統主要包括信號控制系統、高能點火器和點火頭組成。信號控制系統調節點火頻率,高能點火器和點火頭對霧化后的汽油進行點火。

測試系統采用美國PCB公司高頻動態傳感器,傳感器布置于PDE管外水平面0°、30°、60°和90°方向,距PDE出口距離為r.在相同工況下,分別對擴張、收斂和擴張收斂噴管在r為200 mm、400 mm、800 mm、1 200 mm、1 600 mm、2 400 mm和3 000 mm相應位置處的噪聲進行測試。測試得到的噪聲電信號通過信號放大器和A/D轉換器處理后由同步數據采集系統記錄。根據爆轟波測試方法及其他文獻中研究報道,采樣率一般在500 kS/s以上即可滿足爆轟波測試要求,尖銳的上升沿可捕捉到不少于3個數據點,保證爆轟峰值的準確再現,因此本文采用的采樣率為500 kS/s.

本文研究了擴張、收斂和收斂擴張這3種噴管對PDE爆轟噪聲的影響。由于增加噴管后將導致爆轟管長度變化,對噪聲幅值產生影響。為了消除該影響,研究中增加了直噴管這一特殊的噴管,噴管結構如圖2所示,具體參數見表1.

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圖2 PDE噴管管型結構圖Fig.2 Schematic diagram of nozzle structures

表1 PDE噴管管型參數表Tab.1 Dimensions of nozzlesmm

2 結果與討論

2.1 直噴管PDE爆轟噪聲信號分析

直噴管PDE爆轟噪聲時域圖與頻譜圖如圖3所示。其中p為爆轟噪聲聲壓,SPL為爆轟噪聲聲壓級。PDE爆轟噪聲主要由兩個部分組成:一是爆轟波退化后的沖擊噪聲;二是爆轟燃氣射流形成的射流噪聲。在0°方向800 mm處,沖擊噪聲首先到達,沖擊噪聲峰值達到0.08 MPa,約0.71 ms后,爆轟燃氣射流形成的射流噪聲到達,噪聲峰值達到0.07 MPa,沖擊噪聲峰值大于射流噪聲峰值,脈沖爆轟噪聲信號持續時間約為7.08 ms.

圖3 0°方向800 mm處直噴管PDE爆轟噪聲時域圖與頻譜圖Fig.3 Frequency spectrum and time-domain signal of PDE detonation noise characteristics in 0°direction at 800 mm

將直噴管PDE爆轟噪聲時域信號進行傅里葉變換,取人耳較為敏感的頻率1 000～10 0000 Hz范圍內進行分析。PDE爆轟噪聲屬于寬頻噪聲,由基頻10 Hz(爆轟點火頻率)和諧頻組成。在1 000～100 000 Hz內,隨著頻譜中爆轟噪聲頻率的增加, PDE爆轟噪聲頻點聲壓級呈現下降的趨勢,在1 580 Hz出現局部最大值,頻點聲壓級到達144.33 dB.PDE爆轟噪聲頻率大于10 000 Hz后,頻點聲壓級衰減速度約為2 dB/10 000 Hz.

2.2 噴管對PDE爆轟噪聲幅值影響研究

首先對不同噴管結構下0°方向不同距離r處的PDE爆轟噪聲幅值進行研究。圖4為擴張噴管對PDE爆轟噪聲幅值的影響圖。

圖4 擴張噴管對PDE爆轟噪聲幅值影響圖Fig.4 Effects of divergent nozzles on PDE detonation noise amplitudes

擴張噴管使管口的爆轟波陣面變大,沖擊波的徑向作用明顯,所以擴張噴管有利于減小0°方向PDE爆轟噪聲。2號和3號擴張噴管相對于0號直噴管能明顯減小PDE爆轟噪聲幅值,其中3號擴張噴管在擴張噴管中降噪效果最明顯,在r為3 000 mm處,噪聲幅值減小40.42%.1號擴張噴管由于擴張角度較小,導致對PDE爆轟噪聲幅值影響不明顯。

圖5 0°方向收斂噴管和收斂擴張噴管對PDE爆轟噪聲幅值影響圖Fig.5 Effects of convergent and convergent-divergent nozzles on PDE detonation noise amplitudes in 0°direction

收斂噴管使PDE管口的面積減小,導致爆轟波的波陣面減小與爆轟過程持續時間增長。正是由于這兩個原因導致噴管出口處爆轟波能量減小,因此收斂噴管對減小PDE噪聲幅值具有正作用,如圖5(a)所示。在同一收斂角度下,收斂噴管能夠減小各個位置的爆轟噪聲幅值,爆轟噪聲幅值依次減小。在實驗中采用的收斂噴管中,4號收斂噴管能夠最有效減小爆轟噪聲幅值,在r為3 000 mm處,降幅達到59.04%.

與收斂噴管類似,收斂擴張噴管喉部使爆轟波的能量減小,所以收斂擴張噴管對PDE降噪同樣具有正作用,8號收斂擴張噴管降噪效果優于7號收斂擴張噴管。在r為3 000 mm處,喉部直徑30 mm的8號收斂擴張噴管相對于直管能夠達到77.13%的降幅。

2.3 噴管對PDE爆轟噪聲指向性影響研究

實驗中對不同噴管結構下PDE爆轟噪聲指向性進行研究。為了方便研究指向性的變化,將PDE爆轟噪聲幅值進行歸一化處理,歸一化表達式如下所示:

圖6為直管PDE爆轟噪聲指向圖。PDE爆轟噪聲中沖擊噪聲和爆轟燃氣射流噪聲在管外不同位置處的比重不同。當距離r較小時,沖擊噪聲影響較大。由于沖擊波具有明顯的指向性,隨著角度的增加,沖擊波壓力值下降,因此PDE爆轟噪聲幅值指向性明顯,PDE爆轟噪聲幅值隨著角度的增加而減小。隨著距離r的增加,沖擊波迅速衰減,各個方向的PDE爆轟噪聲幅值差異變小變大。距離r增加到2 400 mm位置時,沖擊波影響變弱,爆轟燃氣射流噪聲的比重增加,超音速射流導致的偶極子聲源與亞音速的四極子聲源影響比重增強,導致指向性發生變化。距離r為2 400 mm和3 000 mm時,分別為1.15和1.16,30°方向的PDE爆轟噪聲幅值大于0°方向的PDE爆轟噪聲幅值。

圖6 直管PDE爆轟噪聲指向圖Fig.6 Effect of straight nozzle on PDE detonation noise directivity

在距離r為200 mm處,噴管對PDE爆轟噪聲的指向性影響如圖7所示。

圖7 噴管對200 mm處PDE爆轟噪聲指向性影響Fig.7 Effect of nozzle on PDE detonation noise directivity at 200 mm

2.4 噴管對PDE爆轟噪聲參考半徑影響研究

當距離r在參考半徑r0之內時,PDE爆轟噪聲與距離r的倒數滿足三次方變化規律,而在參考半徑r0之外時,PDE爆轟噪聲與距離r的倒數滿足一次方變化規律。因此,參考半徑r0對PDE爆轟噪聲機理研究具有重要意義。0°方向上PDE爆轟噪聲幅值隨距離r變化的實驗曲線見圖8.

PDE爆轟噪聲幅值隨著徑向距離r增加而下降,直管PDE爆轟噪聲的參考半徑r0約為1 600 mm.根據前文分析,噴管能夠加快PDE爆轟噪聲幅值的衰減,因此噴管能減小參考半徑r0.圖9為加裝噴管PDE爆轟噪聲幅值隨徑向距離變化曲線。

圖8 PDE爆轟噪聲幅值隨徑向距離變化的擬合曲線Fig.8 Fitting curves of PDE detonation noise amplitudes at different radial distances

圖9 加裝噴管PDE爆轟噪聲幅值隨徑向距離變化曲線Fig.9 Curves of PDE detonation noise amplitudes at different radial distances

不同噴管下的r0如表2所示。在采用的3種噴管中,7號收斂擴張噴管與2、3號擴張噴管對r0減小作用最為顯著,r0減小至800 mm.將實驗中采用的相同類型噴管進行對比發現,對于擴張噴管,隨著擴張角度的增加,r0由1 600 mm減小至800 mm;對于收斂噴管,隨著收斂角度的增加,r0由1 200 mm減小至900 mm;對于收斂擴張噴管,喉部越大r0越小,分別為1 400 mm和800 mm.

表2 噴管管型對應r0表Tab.2 Reference radii of nozzlesmm

3 結論

通過實驗研究收斂、擴張以及收斂擴張噴管對PDE爆轟噪聲的影響,在本實驗條件下,得出了如下結論:

1)根據實驗研究結果可知,加裝噴管可以降低PDE噪聲。加大擴張噴管的角度、減小收斂角度和減小收斂擴張噴管的喉部面積可以適當地降低PDE噪聲。收斂擴張噴管降噪效果最好,在r為3 000 mm處,喉部直徑30 mm的收斂擴張噴管相對于直管能夠達到77.13%的降幅。

2)PDE爆轟噪聲主要由爆轟波退化后的沖擊噪聲和爆轟燃氣射流形成的射流噪聲。PDE爆轟噪聲屬于寬頻噪聲,由基頻10 Hz(爆轟點火頻率)和諧頻組成。PDE爆轟噪聲頻率大于10 000 Hz后,頻點聲壓級衰減速度約為2 dB/10 000 Hz.

3)噴管對PDE爆轟噪聲指向性影響顯著。收斂噴管使爆轟波出PDE管口時波陣面減小,指向性明顯,收斂角度越大,指向性越明顯,相反的,擴張噴管和收斂擴張噴管使爆轟波出PDE管口時波陣面增大,指向性不明顯,噴管出口口徑越大,指向性越不明顯。

4)噴管有利于減小PDE爆轟噪聲參考半徑r0.參考半徑r0的減小,意味著PDE噪聲非線性區域的減小,爆轟噪聲在更短的距離內轉化成為線性聲波向外界傳播。對于擴張噴管而言,r0的減小是由于擴張噴管使管口的爆轟波陣面變大,沖擊波的徑向作用明顯。因此,擴張角度越大,r0越小,在320 mm口徑擴張噴管作用下,r0減小為800 mm;對于收斂噴管而言,r0的減小是由于收斂段使波陣面的能量降低。因此,收斂角度越大,r0越小。

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Research on the Noise Characteristic of Pulse Detonation Engine with Nozzles

XU Gui-yang,WENG Chun-sheng,LI Ning
(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

As an effective approach to improve the thrust performance,the nozzle plays an important role in the control of formation and propagation of pulse detonation engine noise.The experimental system of pulse detonation engine is set up to investigate the formation and control method of detonation noise.The detonation noise characteristic of pulse detonation engine with three nozzles is studied.The results show that the convergent-divergent nozzle has the most significant influence on pulse detonation engine noise to reduce the noise amplitude by 77.13%in 0°direction and at 3 000 mm.Large convergence angle would lead to obvious directivity for convergent nozzles.The obvious directivity would be also obtained by divergent and convergent-divergent nozzles with small exit area.The convergent-divergent nozzle with 48 mm throat diameter and the divergent nozzles with 280 and 320 mm exit diameters have the significant impact on reference radius which is reduced from 1 600 mm to 800 mm.The results are of great significance for studying the mechanism of detonation noise and expediting the process of the engineering application.

ordnance science and technology;pulse detonation engine;noise radiation;directivity; nozzle

V231.2+2

A

1000-1093(2014)11-1799-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.11.010

2013-12-27

國家自然科學基金項目(11472138、11002074);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20113219120045);中央高校基本科研業務費專項(30920130112007)

許桂陽(1990—),男,博士研究生。E-mail:xuguiyang90@163.com;

翁春生(1964—),男,教授,博士生導師。E-mail:wengcs@126.com