一种超声速气体冲击射流噪声的屏蔽抑制方法

　　20世纪50年代始,航空工业的发展推动了空气动力噪声的研究,也促进了气动声学学科的诞生和发展.随着工业现代化的进展,气动技术成为一个独立的技术领域,气枪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物体时会产生很大的噪声,污染环境而且会导致结构破坏.

　　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,在喷嘴和固壁之间往往还会产生反馈共振,产生剧烈的、离散频率的噪声.其幅值往往远高于其它噪声而成为总体噪声的主要部分.一般认为,这类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,从而有效抑制系统噪声的方法,并取得了一些进展.但是目前的工作基本上都限于航空航天或燃烧器的背景.对于应用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,如在喷口处加扰动栓等涡发生器[2,3],采用复杂形状的喷嘴口等[4—7];或者实现条件苛刻,容易适得其反,难以实际应用,如在喷嘴后加反馈面[8,9],在喷嘴前加共振腔[10]等.本文根据反馈环的机理针对气动技术领域应用冲击射流清除障碍物的背景提出了一种屏蔽降噪方法.

　　1　屏蔽降噪的基本思想

　　对于亚声速冲击射流,由于反馈波既在射流的外部,又在射流的内部向上游传播,要抑制反馈环比较困难,而且亚声速冲击射流的噪声比超声速冲击射流小很多,所以超声速冲击射流的噪声的研究和控制有更重要的现实意义.本文的研究目标在于研究超声速冲击射流反馈环的抑制和相应的离散频率的噪声的控制.图1表示了反馈环的组成.

　　目前控制反馈环从而抑制射流噪声的研究大多集中在破坏喷嘴唇口不稳定波的受激激发或者不稳定波的发展方面,一般的方法基本都是在喷嘴的出口形状上做文章或者在喷嘴出口处增加扰动栓,这样势必要对射流扩散和能量耗散产生影响.Krothapalli[11,12]的实验表明控制声波的反馈也是十分有效的方法,但是目前这方面的研究鲜见.

　　出于通过屏蔽反馈声波对喷嘴唇口的激发从而抑制反馈环的考虑,可以设想在喷嘴头部套一个屏蔽罩,对喷嘴的唇口进行保护,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流动结构相接触,避免由于屏蔽罩和射流结构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.