冲击射流激波振荡与抑制

李庠儒, 刘年华, 刘露菡, 何 枫

(清华大学航天航空学院, 北京 100084)

引言

超声速冲击射流广泛地应用在导弹和火箭的发射系统、 垂直起降飞机的推进系统以及冷喷涂工艺中[1]. 广泛的应用背景吸引了研究人员对超声速冲击射流复杂的流动结构进行研究. 在超声速冲击射流中经常出现复杂的激波结构[2-4], 并产生强烈的离散单音[5]. 冲击射流的流动结构和离散单音频率与喷嘴压比(nozzle pressure ratio, NPR)、 喷嘴距离平板的冲击距离等流动条件密切相关[6].

Marsh[7]首先发现了冲击射流产生的离散单音. Ho[8-9]提出冲击单音产生是源于一种声学反馈机制. 声学反馈环主要由射流剪切层中的不稳定波(涡)结构与反馈声波构成[10-11]. 喷嘴出口处的不稳定波在向下游运动的过程中, 幅值不断增加, 与平板相互作用产生新的声波[12-13]. 与欠膨胀自由射流的啸叫模态类似, 在不同流动条件下, 冲击射流剪切层中不稳定波(涡)会出现对称或非对称模态[13].

冲击射流中激波的振荡现象与离散单音的产生密切相关[14]. 通过高速摄像技术能够直接观察到冲击距离短的板前Mach盘激波的振荡现象[12,15]. Powis等[16]观察到冲击射流的板前激波在不同流动条件下可能出现振荡或者“分岔”现象. 在激波出现振荡的流动条件下, 板前激波的位置在一个振荡周期内呈现出类似正弦曲线式的变化. 在激波出现“分岔”的流动条件下, 会出现激波快速向上游移动的现象. Gojon等[17]利用大涡模拟研究了NPR=4.03欠膨胀冲击射流中流动结构的振荡现象. 在不同短冲击距离条件下, 射流剪切层中的不稳定波(涡)会呈现出对称或者螺旋模态. 相应地, 冲击平板上游的Mach盘同样会表现出轴对称或者螺旋的振荡现象, 并且振荡频率与冲击单音的频率相同.

目前对于冲击射流激波结构振荡的研究大多关注在冲击距离较短的平板前Mach盘, 而对于不同模态下射流整体激波结构振荡的信息较少, 同时也缺乏对激波结构振荡抑制方法的研究. 本文通过流动显示配合噪声测量的实验方法, 对不同模态下的欠膨胀冲击射流的激波振荡和离散单音进行研究, 并给出一种抑制激波振荡的方法. 本文内容安排如下: 第1章介绍实验系统设置; 第2章对纹影与噪声实验结果进行讨论, 最后对全文进行总结.

1 实验系统结构简介

图1是实验系统结构示意图. 在研究中使用冷射流(射流总温近似等于周围环境温度). 由两台11 kW压气机产生的压缩空气, 经过过滤储存于大气罐中, 储气罐中的气体温度由热电偶测量与环境温度(294 K)相同. 在整个实验过程中, 储气罐内气体的温度变化幅度在±1 K范围内. 实验使用收缩喷嘴. 使用COSMO数显压力表测量喷嘴出口上游5D处的气体静压(D为喷嘴出口直径). 压力表的测量范围为0～1.000 MPa, 测量精度为满量程的0.25%. 喷嘴上游总压与周围环境压强的比值(NPR)由一台压力调节阀控制.

在实验中进行噪声测量的ACO7046声学麦克风直径为12.8 mm, 声压灵敏度为50 mV/Pa, 最大可测量声压级为145 dB. 在3 Hz～20 kHz频率范围内, 测量精度为±2 dB. 在实验采用的压比范围内, 射流离散单音的频率分布在10～20 kHz范围内. 如图1所示, 麦克风位于θ=60°, 距离射流冲击点50D处. 使用ACO6139 麦克风放大器和ONO SOKKI CF-5220 Fourier分析仪对麦克风的声学信号进行处理. Fourier分析仪输出频率范围为0～20 kHz, 分析20个样本平均后的噪声频谱特性.

图1 实验系统结构示意图

图2展示了实验中对冲击射流流场进行可视化的Z-型纹影系统, 该系统包括两面焦距为3 000 mm 的凹面镜, 并使用定常的卤素光源. 纹影图像由一台PhotronFastcam SA-Z 高速相机拍摄. 根据实验中射流单音的离散频率, 高速相机的帧频设置为80 000帧/s, 以确保在1个离散频率单音周期内包含5～6张瞬时纹影图像. 在该帧频下, 每张纹影图像含640×360个像素点, 喷嘴出口直径尺度内包含52个像素点. 结合高速相机帧频与光源强度, 将相机的曝光时间设置为6.25 μs. 实验中的刀口方向与射流轴向(X方向)垂直, 纹影图像显示的是流场沿光路积分的轴向密度梯度.

图2 纹影实验系统示意图

图3(a)展示了实验中使用的收缩喷嘴. 喷嘴收缩比为6.25∶1， 出口直径为10 mm， 出口唇口厚度为7.5 mm， 出口附近直管长度为3 mm. 在距离喷嘴出口50 mm处设计一个测压孔， 使用压力传感器测量该处气体压强， 从而计算得到NPR. 为了抑制冲击射流产生的离散单音， 设计了如图3(b)所示的改进喷嘴. 与原始喷嘴相比， 改进喷嘴出口附近的直管长度为1 mm， 并在出口端面粘贴一层2 mm 厚的泡沫铝材料， 喷嘴总长度保持不变. 改进喷嘴的其他几何参数与原始喷嘴保持一致.

(a) Original nozzle

2 实验结果与讨论

2.1 冲击射流频谱特性

图4为原始喷嘴欠膨胀冲击射流噪声频谱图， 其中Stj=fDj/Uj,f为频率,Dj为射流理想膨胀直径,Uj为射流理想膨胀速度. 如图所示, 在NPR=3.0, 3.5条件下, 欠膨胀冲击射流的噪声频谱分别在Stj=0.31， 0.38处出现高幅值的离散尖峰.

图4 原始喷嘴欠膨胀冲击射流噪声频谱图

2.2 欠膨胀冲击射流的激波振荡现象

当欠膨胀射流产生离散频率单音时, 射流中的激波结构出现明显的周期振荡现象. 图5展示了NPR=3.0时, 冲击射流在间隔25 μs不同时刻下的纹影图像. 纹影图中射流主体颜色较暗的区域对应压缩区域, 颜色较亮的区域则对应膨胀区域. 如图5(a)所示, 在t时刻下, 射流右侧剪切层中由蓝色圆圈标记的相干结构, 位于射流第2个激波栅格的尾端(由红色实直线标记), 由紫色圆圈标记的相干结构, 位于X/D=4处, 射流左侧剪切层中绿色圆圈标记相干结构位于第3个激波附近. 由于纹影图像沿光路积分的性质, 图5(a)中并无法准确判断第3个激波结构的位置. 在图5(a)中, 射流剪切层的相干结构以及射流周围的声波, 都相对于喷嘴中心轴线反对称, 说明射流在NPR=3.0工况下处于非对称模态. 在t+2Δt时刻下, 如图5(b)所示, 射流剪切层中相干结构均向下游运动. 紫色圆圈标记的相干结构运动到冲击平板附近, 产生向上游传播的声波(由黄色虚线标记). 红色实直线标记的第2个激波栅格的尾端相对t时刻向右侧翘起. 此时能够观察到位于X/D=3.5附近的, 向左翘起的第3个激波结构(由粉色线段标记). 图5(c), (d)均显示所标记的激波或相干结构的相对运动, 而且激波结构的左右运动特征与射流的非对称模态相对应.

(a) t

图6展示了不同时刻下NPR=3.5欠膨胀冲击射流的纹影图像. 可以清晰地看到, 射流剪切层中的相干结构与射流周围的声波均相对于喷嘴中心轴线对称, 表明射流处于对称模态. 如图6(a)所示t时刻下, 蓝色椭圆标记的相干结构, 位于红色实线标记的第2个激波结构尾端上游, 第2个激波结构尾端位于X/D=2.9附近, 由紫色椭圆标记的相干结构位于X/D=4附近. 在t+2Δt时刻下, 如图6(b)所示, 蓝色椭圆标记的相干结构越过第2个激波结构尾端, 红色实线标记的第2个激波结构尾端由X/D=2.9运动到X/D=2.6处. 紫色椭圆标记的相干结构撞击在平板上, 并产生由黄色虚线标记的向上游传播的声波. 图6(c)， (d)均显示所标记的激波或相干结构的相对运动. 图6展示了NPR=3.5欠膨胀冲击射流在近似一个周期内激波上/下的周期振荡运动过程, 与射流的对称模态特征相对应.

(a) t

2.3 反馈声波在喷嘴唇口对剪切层的激励过程

图7展示了NPR=3.5欠膨胀冲击射流在 50 μs 内反馈声波对喷嘴出口附近剪切层的激励过程. 如图7(a)所示, 在t时刻声压梯度大的声波(黄色虚线标记)传播到喷嘴出口附近, 可视的剪切层出现微小的锯齿不稳定现象, 推测是较强声波在出口端面的反射对剪切层的扰动造成的. 在t+2Δt时刻, 如图7(b)所示, 在X/D=0.25附近剪切层出现了明显的失稳现象(蓝色圆圈标记), 且如图7(c)， (d)所示, 该不稳定波向下游发展. 在图7(d)中, 声压梯度大的声波(红色虚线标记)再次传播到喷嘴出口附近, 周期重复上述过程.

(a) t

2.4 冲击单音与激波振荡的抑制

在分析了反馈声波对剪切层不稳定波的激励作用原理后, 提出了在反馈声波到达喷嘴出口平面后, 通过出口端面材料声波的漫散射作用, 消弱对剪切层的扰动, 抑制冲击单音和激波振荡的产生.

如图8所示, 使用如图3(b)改进后的收缩喷嘴, 欠膨胀射流噪声频谱图中冲击单音对应的离散尖峰消失了, 相应地C声压级在NPR=3.0由原来的121.7 dB降为119.1 dB; 在NPR=3.5由原来的125.1 dB降为120.7 dB.

(a) NPR=3.0

图9展示了喷嘴改进前后产生的欠膨胀射流的瞬时纹影图. 当NPR=3.0时, 改进后喷嘴产生冲击射流中的激波结构没有出现明显的非对称的振荡现象. 当NPR=3.5时, 使用改进后的喷嘴, 射流的第2和第3个激波栅格变得更加清晰.

(a) NPR=3.0

图10则展示了喷嘴改进前后冲击射流的平均纹影图. 可以很明显地看到, 通过改进喷嘴, 射流的激波结构更加清晰, 说明目前的方法在消除冲击单音、 降噪的同时, 射流中的激波结构也更加稳定.

(a) NPR=3.0

3 结论

本文基于噪声测量和纹影流动显示实验结果, 对冲击距离为5D的欠膨胀冲击射流进行了研究. 通过对高速摄像获取的纹影图像进行分析, 发现喷嘴压比为3的射流处于非对称模态, 射流中激波振荡也体现了非对称的特征. 当喷嘴压比为3.5时, 射流处于对称模态, 射流激波结构沿喷嘴中心轴线上/下振荡, 与射流对称模态的特征相对应. 不同模态下的离散频率单音声源来自于射流冲击平板后的不稳定流动结构处. 观察到反馈声波在喷嘴唇口附近对射流剪切层的激励作用, 使剪切层失稳. 通过喷嘴出口端面对反馈声波的漫散射, 能够有效消除离散频率的冲击单音, 降低噪声, 并抑制激波振荡.

致谢本项研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)支持, 项目编号2012CB720100, 在此表示感谢！