脉冲爆轰发动机噪声近场和远场传播研究

脉冲爆轰发动机噪声近场和远场传播研究 5 摘要:本文采用数值计算的研究了脉冲爆轰发动机噪声的传播特性。通过 CE/SE 方法 计算得到脉冲爆轰发动机管口静压、总压及总温随时间的变化曲线，在此基础上利用大涡模 拟得到了脉冲爆轰发动机近场区域的压力分布，并进一步对远场声压进行了预测，得到了轴 线方向声压随轴向距离的变化关系以及脉冲爆轰发动机噪声辐射指向图。发现轴线声压在参 考半径之内，声压迅速衰减，当在参考半径之外，声压衰减变慢;声压具有指向性。结果对 10 研究脉冲爆轰发动机噪声的形成及控制方法探索具有重要的意义。 关键词:爆炸力学;噪声;大涡模拟 中图分类号:O389 The Study of the Noise Spread in Pulse Detonation Engine 15 Near-field and Far-field XU Guiyang, WENG Chunsheng (National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nangjing 210094) Abstract: This paper describes a numerical calculation method to study the propagation 20 characteristics of the pulse detonation engine noise. Calculated pulse detonation engine nozzle static pressure, total pressure and total temperature curve over time by the CE / SE method.Calculated the pulse detonation engine pressure distribution in the near-field region by the use of large-eddy simulation . Predicted the relationship of the far-field sound pressure in the axis direction with the axial distance,and the radiation directivity pattern of pulse detonation engine 25 noise.Found that the sound pressure decay rapid before the reference radius,decay slowly outside of the reference radius; the sound pressure has directivity.All of the simulation results provide an important reference value for research of the formation and control method in pulse detonation engine noise. Key words: explosion mechanics; noise; large eddy simulation 30 0 引言 脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)是一种利用脉冲式爆轰波产生 推力的新概念发动机，具有极大的潜力成为高性能的航空推进发动机。但是PDE会产生较大 的脉冲噪声，对PDE整体性能以及PDE的工程化应用构成了严重威胁，因此对PDE的噪声研 究非常必要。 35 国内外对PDE噪声做了一些研究。美国辛辛那提大学Allgood等人[1]进行了大量的PDE噪 声试验研究，得到了一个基于点爆炸模型的爆轰波理论，通过参考半径将爆轰波分为强 爆轰波和弱爆轰波，并分别给出了PDE噪声在参考半径内外的变化规律，较为准确地预测出 了PDE噪声值。Nicholas等人[2]通过实验数据验证了Allgood的爆轰波理论公式，并对PDE噪 声的指向性做了试验研究。西北工业大学郑龙席[3]等人通过实验发现PDE噪声主要由单极子 40 源和四极子源组成，PDE噪声辐射的频谱为宽频带谱，其能量主要集中在低频部分，由爆轰 频率和谐频组成。章雄伟等人[4]对单次的PDE噪声数据进行傅立叶变化，发现PDE噪声数据 -1- 中包含了与压力数据中同样的主频和多倍频。国内外未见PDE噪声的数值计算，但是PDE外 流场与膛口流场较为类似，故本文研究PDE噪声的方法类似膛口噪声的研究方法[5]。 45 [6-7]计算得到PDE管口的流场参数随时间的变化曲线，在此基础上 本文利用CE/SE方法 利用大涡模拟得到了PDE近场区域的压力分布，并进一步对远场声压进行了预测。研究结果 对PDE噪声的形成及控制方法探索具有重要的意义。 1 理论模型与计算方法 大涡模拟不仅能提供尽可能多的流场脉动信息，而且计算量相对较小，故本文采用大 50 涡模拟计算流动。 大涡模拟是通过密度加权过滤器过滤物理量，其求解的连续性方程表达式为: ,, ,(,u～i ) ， , 0 (1) ,t ,xi 动量方程表达式为: : ,,～ ,(, , , u～ ,(,u～i ) ,(,u～i j ) ,P ,,～ij ij ij ij ) ， + - = - (2) ,t ,x ,x ,x ,x ,x j i j j j 能量方程表达式为: 55 P P ,( u～ / 2) ,[( ， ,u～ u～ / 2 ， p)u～ ， ,u～i i i i j ] ， - + = , ( ) (3) ,t ,xi ,x j ,xi ,x j Prsgs ,x j AUSM 格式因其计算量小、分辨率高、可防止 carbuncle 现象，故本文数值计算的离散 [8] 格式采用 AUSM 格式 。 数值模拟的 PDE 流场区域如图 1 所示。 60 图 1 PDE 噪声计算区域示意图 Fig. 1 diagram of the computational domain of PDE noise 图1中，AFEG所围成的区域为PDE管，AFEDCB所围成的区域为计算区域。其中 EF 为 PDE管的管壁， AF 为PDE管的管口。 EF 段采用无滑移固壁边界条件， AB 为轴对称边界 65 条件， BC 、 CD 、 DE 段采用压力远场边界。其中本文研究的声压指向性方向定义如图1 所示。 -2- 对脉冲噪声的评估，主要有峰值声压级和有效声压级。本文所采用的声压级为峰值声 压级，其表达式为 Lpeak , 20lg， Ppeak / P ， ，其中 Ppeak 为 PDE 噪声峰值， P0 为基准声压 0 -5 70 2×10 Pa。 2 计算结果分析 PDE 出口处流场分析 2.1 利用 CE/SE 方法计算得到 PDE 管口的静压、总压及总温随时间的变化曲线，如图 2 所 示。 75 (a)静压随时间的变化 (b)总压随时间的变化 (c)总温随时间的变化 图 2 PDE 管口的参数随时间的变化 Fig. 2 the curve changes over time of parameters on the PDE nozzle 80 从图 2 中可以看出爆轰波到达 PDE 管口时，静压、总压和总温出现一个陡峭的上升沿。 爆轰波过后，总压和静压迅速下降到正常水平，而总温缓慢降为正常水平。以图 2 中的 PDE 管口的静压、总压及总温作为初始条件，用于模拟计算 PDE 管口近场压力分布及远场声压。 其中模拟计算中时间步长为 10-6s。 PDE 声场分析 85 2.2 图 3(a)、(b)、(c)分别为利用大涡模拟计算得到的不同时刻 PDE 管外压力分布 的等值线。 -3- (a)t=20×10-6s 时刻 (b)t=1000×10-6s 90 (c)t=2000×10-6s 图 3 不同时刻 PDE 管外压力分布的等值线 Fig. 3 Pressure contours outside PDE at different times 从图 3 中可以看出，爆轰波的峰值压力随着波的传播而迅速下降。在 t=20×10-6s 时刻， 95 PDE 管向外喷射的高压高温气体在出口附近形成球形膨胀波向外膨胀。轴向的压力比径向 -6s 时刻，计算区域中出现一 的压力大，故轴向为强脉冲波，径向为弱脉冲波。在 t=1000×10 个低压区，分析认为可能是由于气体受到爆轰波过压缩所引起。在 t=2000×10-6s 时刻，爆轰 波的峰值压力明显降低，而且波系中产生了一系列的涡。分析其原因，是由于紧随着爆轰波 溢出 PDE 管外的高温射流所引起。 图 4 为距 PDE 管口 10m，180?方向处的声压随时间的变化关系图。 100 图 4 距 PDE 管口 10 m， 180?方向处声压随时间的变化关系 Fig. 4 Graph of sound pressure at 10 m, 180?direction time distribution 从图 4 中可以看出，由于爆轰波的强间断导致声压出现有陡峭上升过程，爆轰波过后， 声压迅速下降，甚至到负值，之后缓慢恢复到基线。计算结果与文献[1]测量得到的试验曲 105 线形状吻合。 Allgood 给出了基于点爆炸模型的 PDE 管外理想爆轰波声压计算公式: -4- VPDE * H rxn * ff ) * ( )3 ， r , r0 ， PSS , k * ( (4) 1 P *T0 0 r 0 , PSS (r0 )* P r , 1 r0 ， r , r0 ， (5) PWS , * PSS (r0 )*{1， * * r0 *ln( )} 2 r ,0 * c03 T0 r0 110 其中: 1 (6) 3 r0 , [VPDE * H rxn * ff /(P0 *T0 )] 本文对 PDE 出口区域 PDE 噪声进行计算，得到了 PDE 管外 180?方向声压随轴向距 离的变化关系，并与 Allgood 所给出的理论计算结果进行了对比，如图 5 所示。其中实线为 本文数值模拟计算结果，虚线是理想爆轰波理论公式计算结果。 115 图 5 PDE 管外 180?方向声压随轴向距离的变化关系 Graph of sound pressure at 180?direction axial distribution Fig. 5 1 0 3 ，计算得到的参考半径为 根据文献 [1]给出的公式 r0 , [VPDE * H rxn * ff /(P *T0 )] 0.264m。即 PDE 管出口 0.264m 处为声压随距离变化曲线的拐点。距离小于 0.264m 时，当 120 距离大于 0.264m 时，PDE 噪声以1/ r 衰减。。本文计算结果与其较为吻合。PDE 噪声以1/ r 3 衰减。 对距 PDE 管口 10m，30-180?范围内的 PDE 噪声进行计算，得到了 PDE 噪声的辐射指 向图，如图 6 所示。 125 图 6 距 PDE 管口 10m 处噪声的辐射指向图 Graph of sound pressure at 10 m direction distribution Fig.6 -5- 对 PDE 管口计算区域 90-180?范围内不同距离范围内的 PDE 噪声进行计算，得到了 PDE 噪声的辐射指向图，如图 7 所示。 130 图 7 噪声的辐射指向图 Fig.7 Graph of sound pressure direction distribution 从图 6、7 计算结果中可以看出，PDE 噪声的最大值并不是出现在 180?，而是出现在 150?左右，与文献[2]中试验测试结果较为符合。 3 结论 135 本文通过 CE/SE 方法计算得到 PDE 管口静压、总压及总温随时间的变化关系，在此基 础上利用大涡模拟得到了 PDE 近场区域的压力分布，并进一步对远场声压进行了预测。 通过数值模拟得到了 PDE 管轴线方向声压随轴向距离的变化关系，当距离小于参考半 径时，PDE 噪声以1/ r 3 衰减，当距离大于参考半径时，PDE 噪声以1/ r 衰减。 通过数值模拟得到了 PDE 噪声的指向图。通过 PDE 噪声的指向图可知 PDE 噪声的最 140 大值并不是在 180?，而是出现在 150?左右，与文献[2]中实验数据较好吻合。 [参考文献] (References) [1] Allgood, D.An Experimental and Computational Study of Pulse Detonation Engines[D]. 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