超音速冲击射流离散频率噪声的屏蔽抑制方法

　　1　引　言

　　随着工业现代化的进展,喷嘴及其产生的冲击射流在生产中得到极为广泛应用。各种喷嘴喷出的高速气流以及高速气流冲击固体时会产生很大的噪声,而且往往导致结构破坏。冲击射流中除了自由射流段、射流冲击区和壁射流段会产生噪声外,在喷嘴和固壁之间还会产生反馈共振,产生强烈的离散频率噪声,其幅值往往远高于其他噪声而成为总体噪声的主要部分。普遍的观点认为,这种噪声的产生是自由剪切流冲击一个固体边界,由此产生的扰动波反馈到自由剪切层,推动了自由剪切层的发展并激发了自由剪切层的不稳定性,从而就形成了一个反馈环,这个反馈环导致流场的自激振动和离散频率噪声[1]。

　　人们一直在寻求控制反馈环从而抑制噪声的方法,并取得了一些进展。但基本都限于航空航天或燃烧器的背景,对于射流冲击、清除障碍物的应用而言,这些方法或者会导致射流能量损失,如在喷口处加涡发生器、采用复杂形状喷口等,或者实现条件苛刻难以应用,如在喷嘴后加反馈面、在喷嘴前加共振腔,或者使用不方便,如被动消声的方法等[2]。本文根据反馈环的机理提出了一种屏蔽降噪方法,可以有效地破坏反馈环的形成,从而抑制离散频率噪声,同时对冲击射流工作效率的提高也有积极的作用。

　　2　离散频率噪声的机理和反馈环的抑制思想

　　自Powell[3~5]于20世纪50年代首次提出并应用反馈环的概念解释离散频率噪声机理以来,人们做了许多研究。Wagner[6],Neuwerth[7]较早地用反馈环的概念解释了冲击射流离散频率噪声的产生。Nosseir[8]首次鉴别了冲击射流中波传播的方向,此后Ho & Nosseir[9,10]确证了冲击射流中反馈环的组成。Tam & Ahuja[11]建立了冲击射流离散频率噪声的理论模型。Krothapalli[12,13]应用PIV技术和近场声学测量首次显示并证实了大尺度相干结构在超声速射流中的存在、运动和发展,以及在反馈环构成和离散频率噪声产生中的作用。

　　关于反馈环的构成,人们曾有各种观点,分歧主要集中在反馈扰动波的传播路径是在射流的内部还是外部[2]。综合已有的成果可认定,在亚声速冲击射流中反馈波既在射流内部、又在射流外部向上游传播,在超声速冲击射流中,对构成反馈环有效的反馈波在射流外部向上游传播。对于亚声速冲击射流,抑制反馈环比较困难,而且噪声比超声速冲击射流小很多,所以本文主要研究超声速冲击射流反馈环的抑制和相应离散频率噪声的控制。反馈环的产生及维持依赖如下几个环节:喷嘴唇口处不稳定波的受激激发,不稳定波随射流向下游发展,在不稳定波耗散之前与激波结构或固体边界作用并产生扰动声波,该扰动声波向上游反馈并激发唇口处的不稳定波。改变这四个环节中的任意一个,都可破坏或增强反馈环[10]。目前有关研究大多集中在破坏喷嘴唇口不稳定波的受激激发或不稳定波的发展,Krothapalli[12,13]的工作表明控制声波的反馈也是十分有效的方法。出于屏蔽反馈声波对喷嘴唇口的激发的考虑,设想在喷嘴头部套一屏蔽罩,避免反馈声波对喷嘴唇口的激发,从而达到破坏反馈环的目的。同时使屏蔽罩不与射流相接触,避免由于屏蔽罩和射流的相互作用而对射流的流动产生影响和产生新的噪声。这就是本文屏蔽罩设计的基本思想。