渗透度对锯齿形尾缘喷嘴气动声学影响

　　 摘 要：在低马赫数条件下（Ma=0.12），采用时间分辨TR-PIV以及远场噪声测量方法，对不同渗透度锯齿形尾缘喷嘴的气动声学特性进行实验研究。流场测量结果表明，锯齿形尾缘喷嘴缩短势核长度，增加势核内气流和周围环境气流的掺混，随渗透度的增加该趋势得到增强。远场声学测量结果表明，随着渗透度增加，锯齿形尾缘喷嘴对于噪声低频降低和高频增加的幅度都有所增强。低渗透度的锯齿形尾缘喷嘴有效降低噪声总声压级，在150°时总声压级降低达到1.3 dB，研究对于降低工厂排空噪声有现实意义。

　　工业排空噪声涉及面广，影响大。对于大多数工业企业，排空噪声高达120 dB，严重的损害了工作人员的身心健康。

　　锯齿形尾缘技术能够控制噪声形成，特点是在喷嘴末端有连续的三角形突起。国外对这种技术做了大量工作。NASA格林中心的Saiyed[1]等人研究了锯齿形尾缘应用于涡扇发动机上的情况，取得了2.7 EPN dB的降噪效果。James Bridges[2]和Kennedy[3]等人采用PIV详细研究各种锯齿形尾缘的势核长度、总压和轴向涡分布情况。因为这种外形降噪效果明显，成为航空上降低气体喷射噪声的重要手段。为把航空发动机高马赫数条件下的锯齿形尾缘喷嘴技术应用到低马赫数的排空噪声控制上，研究了Ma=0.12 条件下锯齿形尾缘喷嘴的气动和声学特性，使用时间分辨粒子图像测速仪（Time-resolved,particle imaging velocimetry, TR-PIV）装置，详细测量锯齿形尾缘喷嘴的射流流场。同时，使用麦克风对喷嘴进行远场噪声测量，得到了噪声的频谱和指向性分布。为进一步降低低马赫数下锯齿形尾缘喷嘴的噪声及优化设计提供了依据。

　　 1 实验装置及测试系统

　　1.1 喷嘴设计

　　实验采用了圆锥形喷嘴和2个相同齿数的锯齿形尾缘喷嘴。圆锥形喷嘴出口直径为51 mm，收敛角为5°，如图1所示。锯齿形尾缘喷嘴的渗透度表示三角形突起的齿尖到轴线的距离与齿根到轴线距离的差（b-a）。 Dj为射流直径，圆锥形喷嘴为喷口直径，锯齿形喷嘴则定义为两个相对齿尖的距离[4]。不同渗透度锯齿形尾缘喷嘴的结构参数如表1所示。实验用喷嘴通过三维造型软件Pro/E设计出形状，采用铝合金材料进行快速成型，如图2所示，图中圆锥形喷嘴用RN表示，低渗透度喷嘴用CN-L表示，高渗透度喷嘴用CN-H表示。

　　1.2 测试系统

　　本实验是在上海交通大学航空航天学院气动消声室内进行，如图所示。消声室净空间为 5.82×4.92×2.90 m3，其背景噪声和截止频率分别为20 dB（A）和100 Hz。消声室进口由低速消声风洞组成，通过辅助风机调节进口风量。出口通过一长段消声风管与室外辅助风机相连。测量时，监测消声室内压力与外界环境压力差，通过调整进口和室外的辅助风机，使其达到平衡。