金屬燒結(jié)絲網(wǎng)在內(nèi)場(chǎng)消聲中的應(yīng)用

黃知龍 常 偉 廖達(dá)雄 王 寧 張國(guó)彪

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 綿陽 621000)

0 引言

隨著我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目的深入開展和下一代超聲速飛行器機(jī)動(dòng)性要求和隱身技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)跨超聲速流動(dòng)邊界層轉(zhuǎn)捩問題越來越關(guān)注。如高速層流的控制技術(shù)、熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定性、戰(zhàn)斗機(jī)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)捩誘導(dǎo)熱應(yīng)力、超聲速運(yùn)輸機(jī)和巡航導(dǎo)彈的超聲速流動(dòng)控制能力等的研究和驗(yàn)證，需要風(fēng)洞具備良好的氣流動(dòng)態(tài)品質(zhì)[1]。因此，新建的高速風(fēng)洞都十分重視試驗(yàn)段氣流的低噪聲和低湍流度性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

目前，暫沖式風(fēng)洞上游配置的調(diào)壓閥會(huì)產(chǎn)生巨大氣流噪聲，順氣流向下游傳入試驗(yàn)段，導(dǎo)致模型試驗(yàn)區(qū)具有一定量級(jí)的噪聲，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度。上游氣流噪聲的降低可采用主動(dòng)降噪和被動(dòng)消聲兩種方式。低噪聲控制閥的設(shè)計(jì)為主動(dòng)降噪，可從聲源上消除噪聲，目前中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心正開展相關(guān)的設(shè)計(jì)研究。另外可通過在內(nèi)場(chǎng)設(shè)置消聲器吸收或衰減上游氣流傳播的聲能，即為被動(dòng)降噪方式。本文所介紹的金屬燒結(jié)絲網(wǎng)降噪方式就是屬于后者。

金屬燒結(jié)絲網(wǎng)是一種燒結(jié)金屬多孔材料[2-3]，由多層金屬絲網(wǎng)按照一定的工藝重疊在真空下燒結(jié)制成，具有很好的可滲透性，見圖1。燒結(jié)結(jié)構(gòu)一般包括支撐層、工作層、保護(hù)層組成。

優(yōu)良的燒結(jié)金屬多孔材料有以下特點(diǎn)：優(yōu)良的透過性能；孔徑與孔隙度的可控性；強(qiáng)度高、韌性好；較好的再生性能；較好的機(jī)械加工性。基于上述特性，燒結(jié)金屬絲網(wǎng)除了用作過濾材料外，還被廣泛用作外場(chǎng)聲輻射的吸聲材料。其以瑞利創(chuàng)立的多孔吸聲材料的微孔黏滯吸聲理論[4]為基礎(chǔ)，主要原理是聲波通過材料的孔隙與固體骨骼相互摩擦而消耗能量。目前，金屬燒結(jié)絲網(wǎng)主要應(yīng)用于城市道路隔離帶進(jìn)行噪聲的屏蔽、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫和高聲強(qiáng)尾流的表面吸聲等，但將氣流直接流過金屬燒結(jié)絲網(wǎng)實(shí)現(xiàn)降噪的技術(shù)研究未見報(bào)道。

鑒于金屬燒結(jié)絲網(wǎng)具有較好的氣流通過性能、高強(qiáng)度和韌性、較好的再生性能以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，研究人員將其置于引導(dǎo)性暫沖式風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)，讓上游控制閥后具有極高湍動(dòng)能的氣流流過多層金屬燒結(jié)絲網(wǎng)，對(duì)其降噪特性和壓力損失特性開展了專項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試研究，分析驗(yàn)證其內(nèi)場(chǎng)降噪的工程應(yīng)用可行性，并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，為我國(guó)某大型超聲速風(fēng)洞內(nèi)場(chǎng)消聲器的確定提供了設(shè)計(jì)依據(jù)及技術(shù)支撐。

圖1 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)Fig.1 The photograph of sintering metal screen

1 金屬燒結(jié)絲網(wǎng)性能測(cè)試平臺(tái)

研究實(shí)驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心FL-22 風(fēng)洞中開展，該風(fēng)洞為暫沖式下吹風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸0.3 m×0.3 m，馬赫數(shù)(Ma)范圍0.3～3.5，通過全柔壁噴管實(shí)現(xiàn)，測(cè)試平臺(tái)總體布局示意圖見圖2。

金屬燒結(jié)絲網(wǎng)試驗(yàn)件安裝于風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)，位于大開角擴(kuò)散段與蜂窩器之間，穩(wěn)定段直徑約φ1.2 m。為了確保金屬燒結(jié)絲網(wǎng)在試驗(yàn)過程中不發(fā)生抖動(dòng)，其前后設(shè)置有井字型支撐架固定，試驗(yàn)件照片見圖3。試驗(yàn)件可拆卸更換，燒結(jié)金屬絲網(wǎng)試驗(yàn)件共有以下6 種規(guī)格：120 目/英寸6 層、12 層、26 層及160 目/英寸6 層、12 層、26 層。所有網(wǎng)絲直徑均為0.1 mm。

圖2 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)性能測(cè)試平臺(tái)Fig.2 The test platform of sintering metal screen

圖3 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)試驗(yàn)件Fig.3 The tests of sintering metal screen

為了對(duì)燒結(jié)金屬絲網(wǎng)的降噪性能和整流特性進(jìn)行評(píng)估，在其前后截面設(shè)置了總壓排架和壁面噪聲測(cè)點(diǎn)。總壓測(cè)量采用差壓傳感器，噪聲測(cè)量采用美國(guó)Kulite 脈動(dòng)壓力傳感器(采用分析頻率≤20 kHz)，垂直安裝于洞壁壁面，每個(gè)測(cè)量截面周向4 個(gè)均勻布置。同時(shí)在穩(wěn)定段出口安裝丹麥DANTEC 公司的STREAMLINE 系列熱線風(fēng)速儀測(cè)量氣流湍流度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)網(wǎng)物性參數(shù)測(cè)量

對(duì)多孔材料特性的判定，可根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《可滲透性燒結(jié)金屬材料氣泡試驗(yàn)孔徑的測(cè)定》(GB/T 5249–2013)[5]和《燒結(jié)金屬材料流體滲透性的測(cè)定》(GB/T 5250–2014)[6]開展。

氣泡試驗(yàn)孔徑定義為試樣的最大等效毛細(xì)管直徑，依據(jù)式(1)確定：

式(1)中，d為試樣毛細(xì)管等效直徑，m；γ為試驗(yàn)液體的表面張力，N/m；Δp為靜態(tài)下試樣上的壓力差，Pa。多次測(cè)量后取其算數(shù)平均數(shù)為平均流動(dòng)孔徑。

而滲透率(相對(duì)透氣系數(shù))依據(jù)簡(jiǎn)化的達(dá)西公式確定：

式(2)中，Q為流量，ml/min；A為表面面積，cm2；K為滲透率，ml/(min·cm2·Pa)。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述6 種規(guī)格的金屬燒結(jié)絲網(wǎng)成品的孔徑和滲透性參數(shù)等進(jìn)行了測(cè)量，部分測(cè)試結(jié)果見表1。可以看出隨著金屬絲網(wǎng)目數(shù)和燒結(jié)層數(shù)的增加，其呈現(xiàn)出平均流動(dòng)孔徑減小和孔壓增大的趨勢(shì)。

表1 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)基本參數(shù)Table 1 Parameters of sintering metal screen

2.2 燒結(jié)絲網(wǎng)性能測(cè)量

在試驗(yàn)平臺(tái)上共進(jìn)行了6 種金屬燒結(jié)絲網(wǎng)組合性能測(cè)試，分別為：120 目12 層、120 目26 層、160 目26 層、120 目12 層+160 目12 層、120 目26 層+160目26 層、160 目26 層+160 目12 層+160 目6 層。并從壓力損失、降噪特性、出口截面速度分布及湍流度等幾個(gè)方面對(duì)其性能進(jìn)行了分析，具體結(jié)果如下：

(1)壓力損失

金屬燒結(jié)絲網(wǎng)的壓力損失通過無量綱的壓力損失系數(shù)ξ表示，定義如下：

式(3)中，P01為燒結(jié)絲網(wǎng)入口總壓，Pa；P02為燒結(jié)絲網(wǎng)出口總壓，Pa；ρ為入口氣流密度，kg/m3；v為入口氣流速度，m/s。

燒結(jié)絲網(wǎng)前后布置有總壓排架，測(cè)得各種組合狀態(tài)下的壓力損失，換算得到的損失系數(shù)ξ，對(duì)比結(jié)果見圖4。橫坐標(biāo)為燒結(jié)絲網(wǎng)入口截面氣流速度，縱坐標(biāo)為不同組合燒結(jié)絲網(wǎng)的損失系數(shù)。

圖4 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)壓力損失系數(shù)Fig.4 Pressure loss coefficient of sintering metal screen

可以看出金屬燒結(jié)絲網(wǎng)作為內(nèi)流構(gòu)件具有非常大的壓力損失系數(shù)ξ，各種組合的損失系數(shù)范圍約為67～378。在風(fēng)洞穩(wěn)定段的常用速度范圍內(nèi)，不同入口氣流速度下壓力損失系數(shù)基本保持不變。因此可以通過無量綱損失系數(shù)ξ估算不同來流速度和運(yùn)行壓力下的氣流總壓損失。另外，測(cè)試結(jié)果表明多層燒結(jié)絲網(wǎng)前后的壓力降不是單層絲網(wǎng)壓力降簡(jiǎn)單線性疊加的結(jié)果，略偏小，如120 目12 層和26層的ξ值分別為68 和123。而分層布置的燒結(jié)絲網(wǎng)壓力損失基本保持為多層疊加之和。風(fēng)洞常溫常壓運(yùn)行條件下，測(cè)試得到的最大壓力降約39 kPa，該壓力降對(duì)于暫沖式風(fēng)洞而言主要影響氣源的運(yùn)行截止壓力，是可以接受的。但對(duì)于壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式風(fēng)洞而言，燒結(jié)絲網(wǎng)壓力損失過大，一般很少采用。

(2)氣流脈動(dòng)衰減

圖5 給出了風(fēng)洞增壓狀態(tài)下氣流經(jīng)過雙26 層組合金屬燒結(jié)絲網(wǎng)前后的氣流速壓脈動(dòng)情況對(duì)比曲線。可以看出金屬燒結(jié)絲的網(wǎng)孔隙對(duì)抑制氣流脈動(dòng)具有非常突出的效果。燒結(jié)絲網(wǎng)前的速壓最大波動(dòng)量達(dá)到380 Pa，而燒結(jié)絲網(wǎng)后的速壓波動(dòng)量衰減至68 Pa以下，衰減量達(dá)到約82%。這是由于風(fēng)洞上游閥門和大開角段后湍動(dòng)能極高的氣流進(jìn)入燒結(jié)絲網(wǎng)后，大的漩渦被破碎成極小的漩渦，能量被孔隙壁的摩擦及空氣黏滯阻力所消耗。

圖5 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)前后截面速壓脈動(dòng)Fig.5 Pressure fluctuation of flow before and after sintering metal screen

(3)降噪性能

金屬燒結(jié)絲網(wǎng)前后截面聲壓級(jí)的差值定義為其降噪量。試驗(yàn)段馬赫數(shù)Ma=1.5 時(shí)的風(fēng)洞沿程噪聲聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果見圖6。橫坐標(biāo)為不同測(cè)試截面位置，縱坐標(biāo)為順氣流方向各截面噪聲測(cè)試頻譜線性計(jì)權(quán)(Z計(jì)權(quán))總聲壓級(jí)。測(cè)試結(jié)果表明，氣流流過各種組合金屬燒結(jié)絲網(wǎng)后的噪聲都得到大大衰減，其中雙26層組合的氣流噪聲由入口截面158 dB降低為出口截面137 dB，總降噪量達(dá)到21 dB，將進(jìn)入風(fēng)洞試驗(yàn)段的氣流噪聲控制到了理想水平。

圖6 不同規(guī)格燒結(jié)金屬絲網(wǎng)消聲量Fig.6 Noise reduction values of of varies sintering metal screen

圖7 給出了雙26 層組合燒結(jié)絲網(wǎng)組合入口和出口截面1/3 倍頻程頻譜特性。可以看出全頻帶范圍下燒結(jié)絲網(wǎng)均具有較強(qiáng)的消聲能力。特別是當(dāng)頻率大于10 kHz 和低于300 Hz 時(shí)，消聲效果相對(duì)更佳，在頻率150 Hz 附近燒結(jié)絲網(wǎng)的單頻降噪量達(dá)到27 dB。在頻率在(0.4～0.6)kHz 區(qū)間，其消聲效果均相對(duì)較弱，但消聲量也達(dá)到平均約14 dB。沒有出現(xiàn)類似金屬微穿孔板消聲器在低頻下聲壓級(jí)明顯放大的現(xiàn)象[7]。

圖7 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)消聲1/3 倍頻程特性Fig.7 Frequency spectrum characteristic of 1/3 noise octave for sintering metal screen

另外，相關(guān)研究表明金屬燒結(jié)絲網(wǎng)在孔徑和厚度一定的情況下，孔隙率越高，內(nèi)部通道越復(fù)雜，吸聲系數(shù)的峰值增大，峰值對(duì)應(yīng)的共振頻率向高頻擴(kuò)展，這將使材料的吸聲系數(shù)提高明顯。因此在滿足材料強(qiáng)度的情況下，孔隙率應(yīng)盡量大以達(dá)到較好的吸聲效果。在厚度和孔隙率一定的情況下，孔徑細(xì)小時(shí)，孔隙通道變多且更加復(fù)雜，當(dāng)聲波進(jìn)入孔隙后，聲波發(fā)生多次碰撞的可能性大大增大，而使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散。因此應(yīng)盡可能保持孔徑細(xì)小以取得最佳的吸聲效果。

(4)湍流度

湍流度反映氣流中3 個(gè)方向的脈動(dòng)氣流速度的方根平均值與主流平均速度之比，是風(fēng)洞重要的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)之一，定義為

式(4)中，ε為湍流度；u′為x方向來流脈動(dòng)速度，m/s；v′為y方向來流脈動(dòng)速度，m/s；w′為z方向來流脈動(dòng)速度，m/s；U∞為時(shí)均流動(dòng)的未擾動(dòng)速度，m/s。

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)氣流經(jīng)過燒結(jié)絲網(wǎng)噪聲可大大降低的同時(shí)氣流湍流度也可明顯降低，氣流經(jīng)過的絲網(wǎng)層數(shù)越多，湍流度越低。雙26 層組合金屬燒結(jié)絲網(wǎng)安裝后，穩(wěn)定段出口核心流區(qū)域的湍流度平均值由11.7%降低至3.0%。幾種不同金屬燒結(jié)絲網(wǎng)組合出口截面的氣流湍流度具體如下：160目12層，ε≤5.5%；160 目26 層，ε≤3.3%；160 目26+120 目26層，ε≤3.0%。

3 結(jié)論

將金屬燒結(jié)絲網(wǎng)作為內(nèi)場(chǎng)消聲器設(shè)置于暫沖式風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)，讓上游具有極高湍動(dòng)能的氣流通過后噪聲在全頻段內(nèi)均可大幅降低，且不引入過大的壓力損失，同時(shí)出口氣流的湍流度和速壓脈動(dòng)可大大改善，是一種適合于暫沖式風(fēng)洞的內(nèi)場(chǎng)降噪方式。通過選取合適的網(wǎng)絲尺寸、燒結(jié)層數(shù)，控制孔隙尺寸和空洞面積，可實(shí)現(xiàn)滿意的降噪效果。目前該燒結(jié)金屬絲網(wǎng)的研究成果已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)某大型超聲速風(fēng)洞穩(wěn)定段的降噪設(shè)計(jì)，但仍然需要深入研究其降噪特性、壓力損失與網(wǎng)絲尺寸及孔隙率等相關(guān)物性參數(shù)的理論關(guān)系，以便更好地開展工程應(yīng)用。