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      軟性多孔材料圓柱降噪特性實(shí)驗(yàn)研究

      2022-07-11 09:41:14武天皓劉沛清
      關(guān)鍵詞:軟性來(lái)流風(fēng)洞

      武天皓 郭 昊 陳 旭 劉沛清

      (北京航空航天大學(xué)陸士嘉實(shí)驗(yàn)室(航空氣動(dòng)聲學(xué)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室), 北京 100191)

      0 引言

      當(dāng)代民用航空業(yè)正處于迅速崛起的進(jìn)程中,飛機(jī)噪聲已經(jīng)成為眾人越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題之一。影響飛機(jī)適航噪聲水平的噪聲源主要包括兩大類:一是機(jī)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲,包括在起飛著陸階段,起落架、起落架艙以及襟副翼組成的增升裝置在氣流作用下產(chǎn)生的噪聲;另一類則是動(dòng)力裝置引起的噪聲。研究機(jī)體降噪方法,特別是起落架降噪方法,對(duì)于提高我國(guó)大飛機(jī)研制能力具有顯著意義。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明,包裹軟性多孔介質(zhì)可以影響起落架附近流場(chǎng),耗散聲能量,抑制渦脫落,降低其產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。

      1999年,Nishimura等人對(duì)支柱表面覆蓋絨毛織物后的構(gòu)型進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。Nishimura等人于2010年做了更細(xì)致的關(guān)于絨毛織物降噪的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了絨毛織物的哪些參數(shù)對(duì)于抑制空氣動(dòng)力噪音的產(chǎn)生是重要的。Sueki等人將多孔材料(聚氨酯泡沫和泡沫金屬)包裹在支柱外表面,使用麥克風(fēng)、PIV、壓力傳感器進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。Geyer等人將軟性多孔材料覆蓋在支柱表面,以此來(lái)降低支柱體(起落架、高速列車(chē)受電弓的組成部件)流動(dòng)噪聲。實(shí)驗(yàn)研究了多孔材料的流阻率、雷諾數(shù)、來(lái)流馬赫數(shù)對(duì)支柱噪聲的影響。Laura等人對(duì)背風(fēng)面加裝柔性翼片、絨毛的支柱進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。魏崢等在風(fēng)洞中通過(guò)使用熱線、煙線和PIV設(shè)備研究了多孔介質(zhì)對(duì)支柱繞流尾跡區(qū)流場(chǎng)的影響。在針對(duì)多孔材料進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算方面,LIU Hanru等人采用了結(jié)合二維大渦模擬和FW-H方程的混合算法進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果顯示,支柱表面覆蓋多孔材料能使噪聲降低,峰值區(qū)域變窄,峰值頻率移向低頻,但不能完全抑制渦脫落峰值。

      在本文的研究工作中,對(duì)具有較好降噪效果的絨毛織物和噴膠棉兩類軟性多孔材料進(jìn)行了噪聲和流動(dòng)測(cè)量,以找出軟性多孔材料的降噪特點(diǎn)及機(jī)制,為今后應(yīng)用在大型飛機(jī)起落架提供重要的參考價(jià)值。

      1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

      1.1 D5氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞

      本次實(shí)驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)D5氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。D5氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞是一座低速、低湍流度、低噪聲回流氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞,開(kāi)口試驗(yàn)段風(fēng)速為0 m/s~80 m/s,風(fēng)洞來(lái)流湍流度小于0.08%。風(fēng)洞總體長(zhǎng)度25.58 m,寬度9.2 m,高度3.0 m。實(shí)驗(yàn)段截面為正方形,截面寬度1.0 m,高度1.0 m,如圖1所示;閉口實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度2.5 m,開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度2.0 m,集氣口切換段長(zhǎng)度0.5 m。

      圖1 D5風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段

      1.2 熱線測(cè)量

      如圖2所示,使用Dantec公司生產(chǎn)的55P11探針和二維(55p61)熱線探頭進(jìn)行熱線實(shí)驗(yàn)。采樣頻率為25 600 Hz,每次采樣時(shí)間為50 s。

      圖2 探針擺放位置示意圖

      1.3 噪聲測(cè)量

      使用BK麥克風(fēng)進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)量,安放位置如圖3所示。采樣時(shí)長(zhǎng)均為50 s,采樣頻率為25 600 Hz。

      圖3 實(shí)驗(yàn)中麥克風(fēng)位置安放圖

      1.4 噴膠棉和海藻綿參數(shù)

      本文采取的軟性材料為噴膠棉和海藻綿,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

      表1 本文圓柱實(shí)驗(yàn)?zāi)P图皣娔z棉和海藻綿參數(shù)

      2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

      2.1 聲場(chǎng)結(jié)果

      圖4給出了單個(gè)麥克風(fēng)在不同風(fēng)速下測(cè)得的覆蓋噴膠棉和海藻綿后0.05 m直徑支柱的頻譜特性。可以看到,在各個(gè)風(fēng)速下,覆蓋噴膠棉和海藻綿都能完全消除由支柱渦脫落引起的純音噪聲。覆蓋噴膠棉能完全消除支柱在整個(gè)寬頻段內(nèi)的氣動(dòng)噪聲,覆蓋海藻綿在5 kHz以上的部分產(chǎn)生了額外的高頻噪聲,且風(fēng)速越大,該噪聲的初始頻率越高。

      (a) 來(lái)流速度為30 m/s

      (b) 來(lái)流速度為40 m/s

      (c) 來(lái)流速度為50m/s

      (d) 來(lái)流速度為55 m/s

      為了觀察具有最好降噪效果的噴膠棉是否對(duì)于多種直徑的支柱均有效果,將其覆蓋在0.03 m和0.04 m支柱外進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)試。圖5和圖6分別給出了0.03 m支柱和0.04 m支柱覆蓋噴膠棉后在不同風(fēng)速下的聲壓級(jí)頻譜特性。

      從圖5可以看出,將噴膠棉覆蓋在直徑為0.03 m的支柱上,雖然渦脫落引起的單音噪聲被抑制,尖峰消失,但寬帶噪聲并不能完全消除。B-2模型遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲在低于1 kHz,高于5 kHz的頻段依然明顯高于背景噪聲,但高頻噪聲顯然低于光滑支柱。圖6的現(xiàn)象與圖5基本一致。

      (a) 來(lái)流速度為30 m/s (b) 來(lái)流速度為40 m/s

      (c) 來(lái)流速度為50 m/s (d) 來(lái)流速度為60 m/s圖5 覆蓋噴膠棉和海藻綿后直徑0.06 m支柱的聲譜特性

      (a) 來(lái)流速度為30 m/s (b) 來(lái)流速度為40 m/s

      (c) 來(lái)流速度為50 m/s (d) 來(lái)流速度為60 m/s圖6 覆蓋噴膠棉和海藻綿后直徑0.08 m支柱的聲譜特性

      2.2 尾跡速度測(cè)試結(jié)果分析

      在來(lái)流風(fēng)速為30 m/s下,對(duì)D=14 mm的圓柱進(jìn)行速度測(cè)試。圖7和圖8分別為覆蓋噴膠棉支柱在不同流向位置(y/d)的流向速度和橫向速度的展向分布。

      (a) 無(wú)量綱流向速度

      (b) 無(wú)量綱流向脈動(dòng)速度圖7 無(wú)量綱流向速度與脈動(dòng)速度

      (a) 無(wú)量綱橫向速度

      (b) 無(wú)量綱橫向脈動(dòng)速度圖8 無(wú)量綱橫向速度與脈動(dòng)速度

      由圖7和8可以看出,以光滑支柱的尾跡流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)比來(lái)看,相比較而言,多孔柱體尾跡區(qū)域速度明顯減小,尾跡被拓寬,回流區(qū)從=±05拓寬至=±1。并且直至測(cè)量的=4時(shí),依然存在著很強(qiáng)的氣流剪切,表明此時(shí)還未出死水區(qū),說(shuō)明多孔材料使得支柱尾流沿主流方向被拉長(zhǎng)。從脈動(dòng)量來(lái)看,剪切作用最強(qiáng)的區(qū)域脈動(dòng)量最大,其關(guān)于流向的性質(zhì)保持在支柱繞流死水區(qū)之內(nèi)。向的平均速度基本關(guān)于原點(diǎn)反對(duì)稱。通過(guò)圖7和圖8中流向和橫向速度脈動(dòng)曲線可以看出,覆蓋噴膠棉支柱流向()和橫向()的速度脈動(dòng)均明顯降低,流向速度脈動(dòng)雙峰間距增大,橫向速度脈動(dòng)單峰向雙峰轉(zhuǎn)化,再次說(shuō)明了軟性材料表面使得支柱尾跡區(qū)域被拓寬。并且,光滑支柱側(cè)向速度脈動(dòng)沿主流方向先增大后減小,而覆蓋噴膠棉的支柱在所測(cè)范圍內(nèi)一直增大。這表明軟性材料使得渦脫落的位置延后。

      (a) 無(wú)量綱流向速度 (b) 無(wú)量綱流向脈動(dòng)速度

      (c) 無(wú)量綱橫向速度 (d) 無(wú)量綱橫向脈動(dòng)速度圖9 圓柱尾跡對(duì)稱軸上速度沿流向分布(D=14 mm,U=30 m/s)

      一般,渦在尾跡中的形成位置用于衡量渦形成長(zhǎng)度,可以被定義為沿著支柱后方中心線流向速度脈動(dòng)的第一個(gè)峰值到模型中心的距離。該值影響尾跡的壓力分布和對(duì)柱體的作用力。圖9中顯示本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得覆蓋軟性材料后渦形成長(zhǎng)度由光滑支柱的1.6 d延長(zhǎng)至5.4 d(噴膠棉)和5.2 d(海藻綿)。這表明覆蓋軟性材料使得渦脫落的位置延后,軟性材料削弱了剪切層的不穩(wěn)定性,使得渦脫落位置延后,增大了渦形成長(zhǎng)度。

      4 結(jié)論

      在北航D5氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中,對(duì)覆蓋軟性多孔材料的起落架支柱模型進(jìn)行了聲學(xué)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)使用了噴膠棉和海藻綿2種軟性多孔材料覆蓋在支柱外表面,采用自由場(chǎng)傳聲器獲取遠(yuǎn)場(chǎng)聲譜特性,其聲譜結(jié)果顯示覆蓋噴膠棉和海藻綿,能使支柱單音完全消失,但海藻綿會(huì)引起高頻噪聲增加。最優(yōu)秀的降噪材料噴膠棉,能完全抑制單音噪聲和完全消除寬帶噪聲。分析原因,認(rèn)為軟性多孔材料使得支柱尾跡區(qū)兩側(cè)剪切層變得細(xì)長(zhǎng),減小了尾跡區(qū)的渦形成長(zhǎng)度,從而削弱了剪切層之間的相互作用。

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