中壓氣源亞/跨音速射流噪聲試驗臺設計?

雷紅勝 張俊龍 張 軍 趙 昱 盧翔宇

(中國空氣動力研究與發展中心 綿陽 621000)

0 引言

射流噪聲是一類典型的氣動噪聲源，是氣動聲學領域的一個非常重要的研究方向[1]。射流噪聲問題涉及到航空動力、汽車排氣、風機、閥門、空調、管道等諸多生產和生活領域。國內外學者在理論、數值模擬、實驗研究以及噪聲控制等方面開展了大量的工作，取得了一定的進展[2]，并應用于實際工程中，比如七八十年代關于噴注噪聲的研究和應用[3?7]。其中理論和數值工作可以為射流噪聲預測提供指導，但還需要實驗環節來進行驗證，因此需要建立相應的射流系統。這方面國外起步較早，如NASA、GE 公司以及Boeing 公司等，建立了成套的專用設備[8?10]。而國內在部分高校實驗室，如北京航空航天大學、西北工業大學、華中科技大學建立了研究型射流試驗裝置等，開展了相應的研究[11?13]。

隨著射流噪聲試驗精準度需求的增加，射流噪聲試驗臺應該建立在具有較為嚴格的消聲環境中。中國空氣動力研究與發展中心于2013年建設了10.8 m×8.4 m×7 m (L×W ×H)聲學校準用全消聲室，本底噪聲7 dB(A)，在此基礎上配套射流噪聲試驗臺，研究射流氣動噪聲的產生機理及降噪方法，將為發動機噴管降噪以及部分工業降噪等提供一定指導。本文著重介紹了試驗臺設計情況，并對試驗結果進行了介紹。

1 設計目標

本試驗臺主要模擬航空發動機亞音速尾噴流噪聲，其是航空發動機的最主要噪聲來源之一。考慮到消聲室為不通風駐室，如模擬高溫射流，高溫氣體無法及時排除，因此本射流噪聲研究裝置只模擬冷噴流情況下的射流噪聲。文獻[14–16]給出了溫度和尺度對射流噪聲影響的相似參數。在射流噪聲的產生機理和降噪措施評估中，采用冷射流裝置開展噪聲研究，也是具有較大指導意義的。設計目標主要考慮以下幾個環節。

流速：本試驗臺主要模擬航空發動機尾噴流的壓力比和速度，模擬的速度范圍為100～560 m/s。

噴口尺寸：結合消聲室尺寸以及遠場噪聲測量需要，噴口尺寸選為0.05～0.1 m。尺寸太小，Re過低，測得的噪聲歸一化頻譜不符合頻譜的自相似性；尺寸太大，供氣需求過高，遠場測量亦有一定限制。該試驗臺以0.05 m為典型噴口尺寸進行設計。

供氣壓力和流量：該指標為試驗臺供氣設計的依據。在流速已定的情況下，根據式(1)和式(2)計算可得壓力為7.7 kPa～400 kPa(表壓，下同)。

其中：P?和P分別為測量段測得的總壓和環境靜壓，單位為Pa；R為氣體常數，對于空氣，取值為287.06 J/(kg·K)；k比熱比，對于空氣取1.4；Ma為馬赫數。

考慮到管道一定的壓力損失和一定的設計冗余，將測量段前的供氣壓力選定為7.7 kPa～500 kPa，同時以噴口尺寸直徑為0.05 m 為典型尺寸，以400 kPa 測量段為流量計算最大總壓，根據式(3)計算，可得最大氣體質量流量為2.3 kg/s。考慮到一定的冗余，按2.5 kg/s 進行閥門設計選型。最低質量流量根據公式(4)按100 m/s 初步估算為0.24 kg/s。

其中：Q為質量流量，單位為kg/s；A?為噴口面積，單位為m2；T為氣體溫度，以25?C 計算；ρ為空氣密度，可取為1.225 kg/m3；D為噴口直徑，單位為m；V為氣流速度，單位為m/s。

另外考慮到射流噪聲聲能與速度八次方線性相關，因此對供氣壓力的控制精度提出了較高的要求，本項目供氣壓力控制精度定為目標壓力的0.5%。

上述供氣指標在滿足航發尾噴噪聲研究的基礎上，亦可為閥門等常規工業領域提供降噪研究支撐。

2 試驗臺設計

2.1 試驗臺總體設計方案

射流供氣系統一般有兩種方案：一是通過鼓風機調速，實現供氣的不同需求，但常規鼓風機壓力達不到相應需求，且流量不夠，要滿足指標需求，投入較大；二是通過壓縮機壓縮空氣，存儲于儲氣罐中，通過調節閥等措施實現供氣需求。氣動中心配套有較大容量的2 MPa中壓儲氣罐，這為穩定持續的射流供氣需求提供了基礎條件。

試驗臺以2 MPa中壓氣源為動力，通過適當的氣源管路改造，延伸至消聲室建筑附近，通過配套相應的壓力控制閥組達到目標壓力，進行消音后引入全消聲室，最后通過射流流道從噴口射出。其中供氣壓力控制和流道設計為重要環節。

2.2 供氣壓力設計

2.2.1 硬件設計

一般調節閥存在調節死區，建議工作調節區間在15%～85%之間。本項目供氣壓力在7.3 kPa～500 kPa之間，且供氣流量0.24～2.5 kg/s，相對而言壓力和流量跨度較大，同一個調節閥很難同時滿足低壓小流量和高壓大流量的供氣需求，且常規閥門調節精度僅為1%，達不到使用需求。滿足各種不同壓力和流量要求的壓力精確控制為該項目的關鍵環節。

圖1 供氣系統流程圖Fig.1 Scheme of air supply system

為了達到設計目標，選用愛默生電子壓力控制器和調壓閥(含指揮器)相結合的方式，通過兩級調壓的方式進行壓力的精確控制，流程見圖1。該系統主要包括過濾器、手動/電動球閥、調壓閥(含指揮器)、電子壓力控制器、安全閥、緩沖器、各種儀表以及S7-200 Smart PLC 控制系統等組成。第一級通過FLA 調壓閥將2 MPa 降到一個較低的固定壓力，如1 MPa，亦可根據需要進行調整。第二級通過FL-BP調壓閥在此基礎上進一步減壓，以達到使用要求。為了滿足7 kPa 和500 kPa 的壓力控制精度，采用兩只指揮器并聯切換(電磁閥進行切換)的方式分別適用低壓和高壓需求。兩者均可本地手動調節，亦可通過ERTune TM 專用調試軟件、模擬給定、上位機RS485 通訊進行數字給定等方式進行調節。

為了達到監控要求，配置了S7-200 Smart PLC，用于對供氣系統的電動閥門、電磁閥、目標壓力以及流道溫度等進行監控，見圖2。

圖2 PLC 控制系統Fig.2 PLC control system

2.2.2 軟件設計

軟件設計采用可用于Micro Win Smart V2.2、S7-200 PC Access Smart V2.0 以及Wincc V7.2 分別用于PLC 源程序、OPC 通訊以及上位機組態界面監控編輯，分為PLC 控制程序以及界面程序。控制程序除了基本的I/O 點控制外，核心在于對ER5000 的輸出控制，通過在射流流道入口處安裝壓力傳感器，用于目標壓力反饋。通過S7-200 Smart PLC采集，采用PID閉環反饋進行模擬給定輸出對第二級ER5000 實現自動控制，從而實現供氣壓力的精確控制。界面程序包含操作、參數設置、實時顯示、故障報警、曲線顯示、數據保存等功能，見圖3。另外還有觸摸屏程序，用于現場操控。

圖3 上位機監控界面Fig.3 Monitor interface in the manager PC

2.2.3 安全聯鎖

在安全聯鎖上設置了軟硬件保護，如儲氣罐上配置安全閥、設置壓力閾值，超壓自動關閉電動球閥、設備故障報警等。

2.3 射流流道系統設計

整個射流流道包含引入段、擴散段、蜂窩器、測量段、阻尼網、穩定段、收縮段、噴口等，下部為模型支撐結構架，同時在供氣控制部分末端和引入段之間配套消音器。見圖4～圖6。這里對部分主要環節進行介紹。

引入段為波紋管結構，以方便設備的連接和過渡。蜂窩器截面為正六角形，孔眼長徑比15。測量段布置了測壓靶和測溫靶，分別測量流道內的總壓和總溫，測溫耙上布置3 根溫度探頭，管外徑2 mm，內置PT100 溫度傳感器，測量溫度范圍：?50?C～150?C，該參數的測量將為流場性能和射流速度控制率測量提供重要數據支撐。阻尼網為不銹鋼網，阻尼網層數1～4 層可調，其中前兩層為規格24 目不銹鋼網，開孔率為66%，后兩層為40 目不銹鋼網，開孔率65%。

圖4 射流流道示意圖Fig.4 Sketch of jet-flow channel

圖5 管道消聲器示意圖Fig.5 Sketch of pipeline muffler

圖6 射流流道部分結構圖Fig.6 Structure design of partial jet-flow channel

射流模擬裝置中，射流噴口直徑和收縮比的選取是一個關鍵參數。本試驗臺射流噴口外形和直徑均可調整，試驗時根據需要選取合適的收縮段和噴口，這里按照設計指標選為圓形噴口，直徑取為0.05 m。收縮段收縮比取為16，收縮段曲線選用移軸維氏曲線，這種收縮段在入口部分收縮較快，在出口部分收縮較慢，而且其軸向速度分布不會出現“反跳”，出口速度較為均勻。

為了降低干擾噪聲的影響，有三方面考慮：一是采用雙級調壓，降低壓差的同時，開度可在更合理的范圍內控制，另外采用較大管徑(DN150)，降低流速，從而降低流體動力學噪聲；二是試驗臺的外露部分均采用消聲海綿包裹；三是設計安裝消音器。文獻[17]指出Non-Line-of-Sight形式的消聲器比傳統消聲器效果更好。本試驗臺在采用此種結構形式的基礎上，進一步增大流道通徑和長度，以進一步增加吸音效果。消音器總長1.6 m，外徑0.65 m，內部氣流流道通徑為0.4 m，周圍覆蓋0.1 m 厚的吸聲層。吸聲層內部為玻璃纖維吸聲材料，吸聲材料與氣流通道之間為穿孔板結構并有保護層，以防止材料外泄。

3 調試測量及試驗結果

主要開展了以供氣壓力控制調試、測量段總壓畸變系數、射流速度控制率為主的射流流場性能測量以及射流遠場噪聲測量試驗。

3.1 射流流場性能測量

圖7 給出了7.7 kPa～500 kPa 的壓力控制曲線，其中在330 kPa時有一個躍變，需要在一級調壓閥適當增加機械彈簧預緊力，增大流量，再配合二級指揮器的切換，實現高壓大流量的順利調節。由表1可以看到總體精度達到甚至優于0.5%的指標要求。

圖7 壓力控制曲線(7.7 kPa～500 kPa)Fig.7 Carve of pressure control(7.7 kPa～500 kPa)

表1 不同壓力下控制精度(噴口直徑0.05 m)Table 1 Control precision of different pressure (spout diameter:0.05 m)

表2 給出了不同流速下的射流控制率數據。可以看到對于設計目標的5 cm噴口，整個流道模擬裝置的壓力損失均較小，壓力損失系數小于均2.6%，越小的壓力損失系數意味著更少的能量轉化為熱能和聲能，流場內部噪聲也就越小。

表2 不同流速下0.05 m 直徑噴口射流參數Table 2 The ?0.05 m spout jet parameters with different velocity

圖8 給出了測量段剖面壓力分布，其中縱坐標(顏色標尺)表示總壓畸變系數([(Pmax?Pmin)/Pav])百分比。由結果可知，該射流模擬裝置的總壓畸變較小，在10 kPa 供氣壓力的條件下，總壓畸變系數值小于0.44%，而且隨著壓力的增加，總壓畸變進一步減小，在110 kPa的供氣壓力下，總壓畸變系數約為0.21%，滿足試驗所需。

由于該項目暫未配備200 kPa以上的壓力測量系統，未開展200 kPa以上的流場性能考核，下一步將進行完善。

圖8 10 kPa 和110 kPa 剖面壓力分布Fig.8 Pressure distributions of 10 kPa and 110 kPa span sections

3.2 射流噪聲性能測量

射流噪聲遠場測量采用遠場傳聲器圓形布置，以噴口中心為原點，傳聲器距離噴口中心3.6 m，對于0.05 m 直徑噴口，測量距離與噴口直徑距離之比為72，滿足射流噪聲測量的遠場需求[18]。傳聲器測量的指向角范圍為30?～120?，間隔10?。傳聲器為GRAS 公司的6.35 mm 自由場傳聲器46BE，數據采集端為基于BBM 公司PAK 的數據采集與分析系統。數據采樣頻率204.8 kHz，采樣時間20 s。數據頻譜分析采用Welch 求功率譜的方法進行，多塊進行平均，數據塊長度為16384個數據/塊，窄帶信號分析頻率間隔為12.5 Hz。

文中通過兩種方式對試驗臺聲學測量結果進行了比較，以驗證試驗臺的測量方式和聲學性能。

表3 給出了不同馬赫數的聲壓級測量結果，同時參考馬大猷等[3?4]、仇穎等[5]的研究，與理論計算進行了比較。其噴注(射流)噪聲湍流噪聲聲功率的經驗公式為

與噴注成90?方向，離噴口1 m 處的聲壓級為

離噴口不同距離的聲壓級換算公式為

其中，kp為常數；P1、P0分別為氣室壓力、環境氣壓，單位為Pa；D為噴口直徑，單位為mm；R1、R2為測量點距噴口的距離。

由表3 可以看出，實際測量與理論計算一致性較好，偏差低于0.32 dB，表明測量方式和測量結果可信，同時亦對理論公式進行了進一步試驗驗證。

表3 不同馬赫數下的聲壓級測量值與理論計算結果對比Table 3 SPL comparison between measured and theoretical calculated values with different velocity

圖9 給出了本期試驗獲得的不同Ma數下，射流指向角90?位置測得的射流噪聲頻譜與國際上一些主流的噴流噪聲試驗臺結果的對比[19?20]。該噪聲結果經過了傳聲器頻率響應修正，空氣吸聲修正[21]，縱坐標為歸一化功率譜，橫坐標為射流噪聲的St數，二者表達公式如下：

其中：P′為聲壓功率譜均方根值；?f為頻帶寬度；ρj、uj表示噴口處的密度、速度；D為噴口直徑；R為測量點與噴口的距離。

圖9 本試驗臺射流噪聲與國際主流射流噪聲模擬裝置結果對比Fig.9 The result comparison between present and the main international test equipment for jet-flow noise simulation

由圖9 可以看出，早期得到的射流噪聲數據(Z&Y’85 和Dome)受條件所限，測得的噪聲普遍存在較強干擾噪聲導致測得的值偏大問題，Boeing、UCI、Nasa 的結果為較嚴格的吸聲環境下的標準射流噪聲試驗值，其值干擾小、更加精確。對比可知，本射流模擬裝置得到射流噪聲信號與國際主流結果一致性很好，對干擾噪聲的控制與國際試驗臺水平相當，表明本射流模擬裝置能得到純凈的射流噪聲信號，測量及修正方法真實可信。

4 結論

本文詳細介紹了射流噪聲試驗臺的設計目標分析，在此基礎上提出了中壓氣源兩級調壓的總體供氣方案，并設計了相應的射流流道，進行了射流噪聲抗干擾處理。結果表明，該方案可以有效地滿足0.05 m 以下(含)噴口開展100～560 m/s 亞/跨音速射流噪聲研究所需的流量和壓力需求，并具有較高的控制精度、射流品質以及極低的干擾噪聲級。該試驗臺不僅可以開展航發冷射流噪聲研究，亦可開展普通工業生產領域如閥門、管道等相關噪聲研究。目前已經基于該試驗臺開展了多項射流噪聲研究型試驗。