许桂阳,翁春生,李宁

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室,江苏南京 210094)

喷管对脉冲爆轰发动机爆轰噪声影响的实验研究

许桂阳,翁春生,李宁

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室,江苏南京 210094)

喷管不但可以增加脉冲爆轰发动机推力,而且对脉冲爆轰发动机噪声的形成与传播也具有重要作用。为探索脉冲爆轰发动机爆轰噪声形成机理及控制技术,搭建了脉冲爆轰发动机噪声测试实验系统,在不同位置不同角度对3种不同类型喷管的脉冲爆轰发动机爆轰噪声特性进行了研究。研究结果表明,收敛扩张喷管对于减小脉冲爆轰发动机爆轰噪声幅值作用最为明显,在0°方向3 000 mm处可以达到77.13%的降幅;对于收敛喷管,收敛角度越大指向性越明显,而扩张和收敛扩张喷管的喷管出口面积越大指向性越不明显;喉部直径48 mm的收敛扩张喷管与管口直径280 mm和320 mm的扩张喷管对参考半径影响最为显著,参考半径由1 600 mm减小至800 mm.研究结果对于爆轰噪声机理研究以及脉冲爆轰发动机工程化应用具有重要参考意义。

兵器科学与技术;脉冲爆轰发动机;噪声辐射;指向性;喷管

0 引言

国外学者对带喷管的PDE爆轰噪声开展了相关研究。Allgood等以乙烯为燃料、氧气为氧化剂,进行PDE爆轰噪声实验,研究了喷管面积与PDE管口面积之比分别为0.6、1.6、2.3和4.0时对PDE爆轰远场噪声的影响,发现收敛喷管能减小所有方向的爆轰噪声,扩张喷管也能减小爆轰噪声[4]。Glaser等进一步研究了扩张喷管对PDE爆轰远场噪声的影响,在其实验条件下,得到了当扩张喷管与PDE管径比为3、喷管入口距PDE管尾部为一倍管径时具有最佳的降噪效果的结论[5]。文献[6-7]通过实验得到锯齿形喷管能有效减少射流噪声。Glaser等提出了当填充率小于1时全螺纹的喷管能降低上游的总声压,放大下游的总声压,当填充率等于1时,全螺纹喷管能轻微减少所有方向上的总声压。管壁带孔的喷管增加上游总声压级,降低下游的总声压级[8]。

国内对于带喷管的PDE爆轰噪声研究相对较少。郑龙席等研究了微穿孔的消音喷管对PDE爆轰噪声的影响,发现单/双层微穿孔消声喷管对脉冲爆震发动机噪声辐射的降低都有一定的作用,双层结构优于单层结构;消声喷管越长,消声效果越好[9]。

本文在前人研究的基础上,通过实验研究了收敛、扩张以及收敛扩张喷管3种喷管对PDE爆轰噪声的影响,分析了不同喷管结构条件下PDE噪声形成发展过程,深入探讨了喷管对PDE爆轰噪声幅值、指向性、参考半径以及频谱的影响,研究结果对PDE爆轰噪声形成机理及控制技术研究具有重要意义。

1 实验方法和实验方案

为了研究喷管对PDE爆轰噪声的影响,搭建了PDE爆轰噪声测试实验系统,主要由PDE实验装置、点火控制系统以及测试系统组成,如图1所示。

图1 PDE爆轰噪声实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

实验中PDE管内径为80 mm,以汽油为燃料,压缩空气和压缩氧气为氧化剂。压缩空气和压缩氧气在PDE头部以切向方式进气,汽油是通过精细雾化喷嘴和文氏管进行雾化。点火控制系统主要包括信号控制系统、高能点火器和点火头组成。信号控制系统调节点火频率,高能点火器和点火头对雾化后的汽油进行点火。

测试系统采用美国PCB公司高频动态传感器,传感器布置于PDE管外水平面0°、30°、60°和90°方向,距PDE出口距离为r.在相同工况下,分别对扩张、收敛和扩张收敛喷管在r为200 mm、400 mm、800 mm、1 200 mm、1 600 mm、2 400 mm和3 000 mm相应位置处的噪声进行测试。测试得到的噪声电信号通过信号放大器和A/D转换器处理后由同步数据采集系统记录。根据爆轰波测试方法及其他文献中研究报道,采样率一般在500 kS/s以上即可满足爆轰波测试要求,尖锐的上升沿可捕捉到不少于3个数据点,保证爆轰峰值的准确再现,因此本文采用的采样率为500 kS/s.

本文研究了扩张、收敛和收敛扩张这3种喷管对PDE爆轰噪声的影响。由于增加喷管后将导致爆轰管长度变化,对噪声幅值产生影响。为了消除该影响,研究中增加了直喷管这一特殊的喷管,喷管结构如图2所示,具体参数见表1.

2.活跃课堂气氛，改变陈旧的教学理念和模式，培养学生自觉思维能力。特别在课堂上要形成师生之间、生生之间的彼此交流、互相质疑，让学生的创新意识、创新思维能够互相影响、互相激励，产生链式反应。

图2 PDE喷管管型结构图Fig.2 Schematic diagram of nozzle structures

表1 PDE喷管管型参数表Tab.1 Dimensions of nozzlesmm

2 结果与讨论

2.1 直喷管PDE爆轰噪声信号分析

直喷管PDE爆轰噪声时域图与频谱图如图3所示。其中p为爆轰噪声声压,SPL为爆轰噪声声压级。PDE爆轰噪声主要由两个部分组成:一是爆轰波退化后的冲击噪声;二是爆轰燃气射流形成的射流噪声。在0°方向800 mm处,冲击噪声首先到达,冲击噪声峰值达到0.08 MPa,约0.71 ms后,爆轰燃气射流形成的射流噪声到达,噪声峰值达到0.07 MPa,冲击噪声峰值大于射流噪声峰值,脉冲爆轰噪声信号持续时间约为7.08 ms.

图3 0°方向800 mm处直喷管PDE爆轰噪声时域图与频谱图Fig.3 Frequency spectrum and time-domain signal of PDE detonation noise characteristics in 0°direction at 800 mm

将直喷管PDE爆轰噪声时域信号进行傅里叶变换,取人耳较为敏感的频率1 000～10 0000 Hz范围内进行分析。PDE爆轰噪声属于宽频噪声,由基频10 Hz(爆轰点火频率)和谐频组成。在1 000～100 000 Hz内,随着频谱中爆轰噪声频率的增加, PDE爆轰噪声频点声压级呈现下降的趋势,在1 580 Hz出现局部最大值,频点声压级到达144.33 dB.PDE爆轰噪声频率大于10 000 Hz后,频点声压级衰减速度约为2 dB/10 000 Hz.

2.2 喷管对PDE爆轰噪声幅值影响研究

首先对不同喷管结构下0°方向不同距离r处的PDE爆轰噪声幅值进行研究。图4为扩张喷管对PDE爆轰噪声幅值的影响图。

图4 扩张喷管对PDE爆轰噪声幅值影响图Fig.4 Effects of divergent nozzles on PDE detonation noise amplitudes

扩张喷管使管口的爆轰波阵面变大,冲击波的径向作用明显,所以扩张喷管有利于减小0°方向PDE爆轰噪声。2号和3号扩张喷管相对于0号直喷管能明显减小PDE爆轰噪声幅值,其中3号扩张喷管在扩张喷管中降噪效果最明显,在r为3 000 mm处,噪声幅值减小40.42%.1号扩张喷管由于扩张角度较小,导致对PDE爆轰噪声幅值影响不明显。

图5 0°方向收敛喷管和收敛扩张喷管对PDE爆轰噪声幅值影响图Fig.5 Effects of convergent and convergent-divergent nozzles on PDE detonation noise amplitudes in 0°direction

收敛喷管使PDE管口的面积减小,导致爆轰波的波阵面减小与爆轰过程持续时间增长。正是由于这两个原因导致喷管出口处爆轰波能量减小,因此收敛喷管对减小PDE噪声幅值具有正作用,如图5(a)所示。在同一收敛角度下,收敛喷管能够减小各个位置的爆轰噪声幅值,爆轰噪声幅值依次减小。在实验中采用的收敛喷管中,4号收敛喷管能够最有效减小爆轰噪声幅值,在r为3 000 mm处,降幅达到59.04%.

与收敛喷管类似,收敛扩张喷管喉部使爆轰波的能量减小,所以收敛扩张喷管对PDE降噪同样具有正作用,8号收敛扩张喷管降噪效果优于7号收敛扩张喷管。在r为3 000 mm处,喉部直径30 mm的8号收敛扩张喷管相对于直管能够达到77.13%的降幅。

2.3 喷管对PDE爆轰噪声指向性影响研究

实验中对不同喷管结构下PDE爆轰噪声指向性进行研究。为了方便研究指向性的变化,将PDE爆轰噪声幅值进行归一化处理,归一化表达式如下所示:

图6为直管PDE爆轰噪声指向图。PDE爆轰噪声中冲击噪声和爆轰燃气射流噪声在管外不同位置处的比重不同。当距离r较小时,冲击噪声影响较大。由于冲击波具有明显的指向性,随着角度的增加,冲击波压力值下降,因此PDE爆轰噪声幅值指向性明显,PDE爆轰噪声幅值随着角度的增加而减小。随着距离r的增加,冲击波迅速衰减,各个方向的PDE爆轰噪声幅值差异变小变大。距离r增加到2 400 mm位置时,冲击波影响变弱,爆轰燃气射流噪声的比重增加,超音速射流导致的偶极子声源与亚音速的四极子声源影响比重增强,导致指向性发生变化。距离r为2 400 mm和3 000 mm时,分别为1.15和1.16,30°方向的PDE爆轰噪声幅值大于0°方向的PDE爆轰噪声幅值。

图6 直管PDE爆轰噪声指向图Fig.6 Effect of straight nozzle on PDE detonation noise directivity

在距离r为200 mm处,喷管对PDE爆轰噪声的指向性影响如图7所示。

图7 喷管对200 mm处PDE爆轰噪声指向性影响Fig.7 Effect of nozzle on PDE detonation noise directivity at 200 mm

2.4 喷管对PDE爆轰噪声参考半径影响研究

当距离r在参考半径r0之内时,PDE爆轰噪声与距离r的倒数满足三次方变化规律,而在参考半径r0之外时,PDE爆轰噪声与距离r的倒数满足一次方变化规律。因此,参考半径r0对PDE爆轰噪声机理研究具有重要意义。0°方向上PDE爆轰噪声幅值随距离r变化的实验曲线见图8.

PDE爆轰噪声幅值随着径向距离r增加而下降,直管PDE爆轰噪声的参考半径r0约为1 600 mm.根据前文分析,喷管能够加快PDE爆轰噪声幅值的衰减,因此喷管能减小参考半径r0.图9为加装喷管PDE爆轰噪声幅值随径向距离变化曲线。

图8 PDE爆轰噪声幅值随径向距离变化的拟合曲线Fig.8 Fitting curves of PDE detonation noise amplitudes at different radial distances

图9 加装喷管PDE爆轰噪声幅值随径向距离变化曲线Fig.9 Curves of PDE detonation noise amplitudes at different radial distances

不同喷管下的r0如表2所示。在采用的3种喷管中,7号收敛扩张喷管与2、3号扩张喷管对r0减小作用最为显著,r0减小至800 mm.将实验中采用的相同类型喷管进行对比发现,对于扩张喷管,随着扩张角度的增加,r0由1 600 mm减小至800 mm;对于收敛喷管,随着收敛角度的增加,r0由1 200 mm减小至900 mm;对于收敛扩张喷管,喉部越大r0越小,分别为1 400 mm和800 mm.

表2 喷管管型对应r0表Tab.2 Reference radii of nozzlesmm

3 结论

通过实验研究收敛、扩张以及收敛扩张喷管对PDE爆轰噪声的影响,在本实验条件下,得出了如下结论:

1)根据实验研究结果可知,加装喷管可以降低PDE噪声。加大扩张喷管的角度、减小收敛角度和减小收敛扩张喷管的喉部面积可以适当地降低PDE噪声。收敛扩张喷管降噪效果最好,在r为3 000 mm处,喉部直径30 mm的收敛扩张喷管相对于直管能够达到77.13%的降幅。

2)PDE爆轰噪声主要由爆轰波退化后的冲击噪声和爆轰燃气射流形成的射流噪声。PDE爆轰噪声属于宽频噪声,由基频10 Hz(爆轰点火频率)和谐频组成。PDE爆轰噪声频率大于10 000 Hz后,频点声压级衰减速度约为2 dB/10 000 Hz.

3)喷管对PDE爆轰噪声指向性影响显著。收敛喷管使爆轰波出PDE管口时波阵面减小,指向性明显,收敛角度越大,指向性越明显,相反的,扩张喷管和收敛扩张喷管使爆轰波出PDE管口时波阵面增大,指向性不明显,喷管出口口径越大,指向性越不明显。

4)喷管有利于减小PDE爆轰噪声参考半径r0.参考半径r0的减小,意味着PDE噪声非线性区域的减小,爆轰噪声在更短的距离内转化成为线性声波向外界传播。对于扩张喷管而言,r0的减小是由于扩张喷管使管口的爆轰波阵面变大,冲击波的径向作用明显。因此,扩张角度越大,r0越小,在320 mm口径扩张喷管作用下,r0减小为800 mm;对于收敛喷管而言,r0的减小是由于收敛段使波阵面的能量降低。因此,收敛角度越大,r0越小。

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Research on the Noise Characteristic of Pulse Detonation Engine with Nozzles

XU Gui-yang,WENG Chun-sheng,LI Ning
(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

As an effective approach to improve the thrust performance,the nozzle plays an important role in the control of formation and propagation of pulse detonation engine noise.The experimental system of pulse detonation engine is set up to investigate the formation and control method of detonation noise.The detonation noise characteristic of pulse detonation engine with three nozzles is studied.The results show that the convergent-divergent nozzle has the most significant influence on pulse detonation engine noise to reduce the noise amplitude by 77.13%in 0°direction and at 3 000 mm.Large convergence angle would lead to obvious directivity for convergent nozzles.The obvious directivity would be also obtained by divergent and convergent-divergent nozzles with small exit area.The convergent-divergent nozzle with 48 mm throat diameter and the divergent nozzles with 280 and 320 mm exit diameters have the significant impact on reference radius which is reduced from 1 600 mm to 800 mm.The results are of great significance for studying the mechanism of detonation noise and expediting the process of the engineering application.

ordnance science and technology;pulse detonation engine;noise radiation;directivity; nozzle

V231.2+2

A

1000-1093(2014)11-1799-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.11.010

2013-12-27

国家自然科学基金项目(11472138、11002074);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20113219120045);中央高校基本科研业务费专项(30920130112007)

许桂阳(1990—),男,博士研究生。E-mail:xuguiyang90@163.com;

翁春生(1964—),男,教授,博士生导师。E-mail:wengcs@126.com