小型空气声学风洞的设计和性能研究外文翻译资料

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小型空气声学风洞的设计和性能研究

Peiqing Liu ^a,b, Yu Xing ^a,b, Hao Guo ^a,b, , Ling Li ^a,b

北京航空航天大学 流体力学研究所；地址：中华人民共和国 北京市 邮政编码 100191

教育部 流体力学重点实验室（北京航空航天大学）；地址：中华人民共和国 北京市 邮政编码 100191

文章信息 文章历史：2016年6月21日收到；2016年9月9日收到修订后的表格；2016年9月12日接受；2016年9月17日上

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关键词：空气声学风洞；背景噪音；气动声学性能

摘要 北京航空航天大学的D5航空声学风洞是一种新开发的小型闭路风洞，具有低湍流强度和低背景噪声的

优点。风洞被建造用于研究飞机部件或缩放模型的空气动力学和空气声学性能。风洞有两种类型的试验段，一种是封闭式试

验段，用于空气动力学试验，另一种是开放式试验段，主要用于空气声学试验。两种类型的试验段都是高1米，宽1米，试

验段里的最大风速可以达到80米每秒。围绕测试段周围建立了一个无回声室，以提供非反射条件。本文提供了小型风洞的设

计标准和性能的概述，并且详细讨论了风洞的布局和一些用以提高风洞空气动力学和声学性能的关键设计处理。进行了一些实

验验证了D5风洞的性能，结果证实了测试段岩心的湍流强度小于0.08％，并且背景噪声与其他声学风洞相当。一个简化缩放

后的鼻架着陆装置模型也被测量作为基准测试，结果表明，从模型辐射的噪声充分高于宽频率范围的背景噪声，并与相关文献

的其他结果非常一致。

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1.介绍 随着航空运输工业的发展，民用飞机在起飞和着陆过程中辐射的噪声已成为人们关注的主要问题。在过

去40年中，随着现代高旁通涡轮风扇的广泛使用发动机噪声已经降低了20-30分贝，并且机身噪声已经成为飞机起飞、接近

和着陆期间的主要噪声。过去几十年的机身噪声研究取得的成果已经在文献[1,2]中有总结，而进一步的研应该广泛集中在噪声

的产生机制和降噪技术上。

飞机部件周围的空气流动现象是复杂的[3-7]，因此噪声的产生机制很难理解。虽然CFD法结合声学模拟方法已经被广泛应用于机体噪声预测[8-11]，但由于网格尺寸的限制，这种方法仍然缺乏足够的精度，特别是在高频范围条件下。然而，风洞实验可以使我们更好地去理解噪声机制，并且实验结果也可以用作数值方法验证的基准。

由于在测试段中的高背景噪声，在一般风洞中不能进行空气声学实验。良好的声学设备必须确保低背景噪声水平，以满足空气声学测量的基本要求，即背景噪声应该比在宽频率范围内从模型辐射的噪声低至少6dB。并且测试段中的湍流强度也应足够低，以最小化不需要的噪声。此外，测试模型的空气动力学和空气声学特性可能受雷诺数和马赫数的影响，因此最大风速和喷嘴尺寸应严格设计以涵盖典型的工作条件。
在本文中，将讨论D5小型空气声学风洞的设计标准和性能。第2节描述了主要设计标准和风洞布局，以及一些可以减少背景噪声和提高流动质量的主要的声学和空气动力学处理方法。然后在第3节里，提出一些实验结果来验证声学和空气动力学性能。最后，一个简化的前起落架模型被用于实验测试，并与第4节中的LAGOON项目的基准测试结果进行比较。结果表明，D5风洞的声学性能与全球其他声学风洞的声学性能相当，D5风洞具有空气声学测量的能力。

2.设计和布局

2.1设计标准 北京航空航天大学的D5航空风洞是一个小型闭路风洞。由于风洞是设计用于研究复杂的空气动力学现象

和飞机部件的气动性能的，所以其设计标准应同时考虑空气动力学和声学要求。

D5风洞设计有两种类型的试验段：一种是由消声室包围的开放式试验段，另一种是封闭式试验段。开放式试验段用于空气声学测试，而封闭式试验段则用于空气动力学测量。两种类型的试验段都具有高度为1m和宽度为1m的相同喷嘴。这种双重用途的设计理念非常类似于大型航空声学风洞RTRI [12]，这是世界上最安静的风洞之一。此外，对于声学测量，这种开放式闭路型设计概念根据一些声学设备所做的选择[13-16]。

D5风洞的最重要的设计目标是低背景噪声。距离隧道轴1.5米处的A加权总声压级（OASPL）设计为在80 m / s时小于85 dB（A）。测试段的流动质量也是一个重要的设计标准，因为涡轮流与测试模型的相互作用可能会产生不想要的噪声[17]。闭合型试验段的型芯中的湍流强度设计为在30m / s至80m / s的宽速度范围内小于0.08％。

另一个重要的设计标准是测试段中的最大风速。由于D5风洞是设计用于飞机部件的声学测量，所以其设计的最大风速为80m / s，这是飞机起飞和着陆的典型速度。最大雷诺数可以高达1.5 times;10⁶。参考其他空气声学风洞[12-16]，采用轴流式风机用于连续和稳定地驱动空气。该风机有16个叶片，最大体积流量可以达到100 m³ / s，可以满足试验段的最大风速的要求。

2.2. 风洞布局和建造 D5风声风洞的布局如图1所示。风洞由喷嘴、收集器、沉降室、两个扩散器通道、轴流式风扇以及四

个角所组成。在沉降室中安装了蜂窝和七个筛网以减少流量波动，并且隧道壁的所有内表面齐平地安装有耗散衬里或两层微孔

板以减少背景噪声。

2.3声学设计 两种处理方法用于降低背景噪声，一种是两层微孔板，另一种是耗散型衬里。双层微穿孔面板消声器

沿着隧道风扇部分的内壁齐平地安装，并且能有效地衰减风扇噪声。消声器具有两层，第一层的深度为120mm，穿孔率为2％，

第二层的穿孔率为1％，深度为180mm。D5风洞的其他内部表面覆盖有耗散衬里。衬里由玻璃棉和穿孔金属制成，其厚度为

150mm。当气流通过隧道时，衬里用于进一步衰减背景噪声。

为了确保非反射条件，在测试部分周围建立了一个大的消声室（长度为7m，宽度为6m，高度为6m）。

电波暗室的截止频率为200Hz。

2.4空气动力学设计 各种处理已经被应用于确保良好流动质量，以保证空气动力学测量的准确性。减少流动波动和不均匀性

的最有用的处理是蜂窝和筛网。减少流动波动和 不均匀性的最有用的处理是蜂窝和筛网。Scheiman和Brooks [18]指出，蜂窝

在减小横向速度波动方面是有效的。Bradshaw和Pankhurst [19]指出，长径比约为10的蜂窝体在流动矫直方面是非常有效的。

对于D5风洞， 如图1所示，在沉降室的入口中安装有蜂窝。蜂窝具有规则的六角形网孔，每个网格的宽度为10mm，长度为

200mm，对应于长度与直径比为20。下游蜂窝体是七个丝网筛，每个筛网具有大量的方形筛网，筛孔宽度为1.06mm，线径为

0.27mm。两个筛网之间的距离为500mm，其超过网孔30倍的最小距离，使得导线产生的湍流充分衰减[20,21]。筛网能够分裂

大于网孔尺寸的涡流，并减少流动波动的流动分量[17,22]，此外，它们可以进一步减少侧向流动波动和流动不均匀性。

喷嘴具有9:1的大收缩比，并且喷嘴内壁的曲线被谨慎地设计成避免在喷嘴出口处发生流动分离。当流

体通过喷嘴加速时，流动波动可以减小，流动不均匀性可以进一步降低[17]。

流动分离可能发生在风流过角落时，导致流动不均匀，大流量波动和大的能量损失，因此，所有角应该

配备有导向叶片以引导流动。早期的工作表明，矩形拐角中等距离间隔的导叶具有减小流量波动的优点[22]。在该处理之后，

在第一和第二拐角处安装9个转向叶片，在第三和第四拐角处安装13个转向叶片。在D5风洞中使用的叶片的横截面形状是

改进的双圆形翼型。

3.性能特点

在本节中，我们介绍D5风洞的背景噪声和湍流强度。这里给出的所有结果使用相同的笛卡尔坐标系，

原点位于喷嘴出口平面的中心，x轴，y轴，z轴分别表示流向，水平和垂直轴。

3.1背景噪音 风洞背景噪声是在具有Bruuml;el＆kJaelig;r4189型1/2英寸自由场麦克风的消声室中测量的。麦克风放置在测

试部分的中心，并且在平面z = 0中离射流中心线1.5m。背景噪声从40 m / s（U_max）到80 m / s（U_max）测量，采样率为65,536

样本/ s，记录时间为50 s。声学信号被划分为1000个块，重叠率为66.7％。在快速傅立叶变换（FFT）之前，通过汉宁窗处理

每个块，在1000个块上对最终谱进行平均以平滑曲线。在本文中显示的所有窄带频谱具有16Hz的频率槽宽度。由于电波暗

室的截止频率为200Hz，所以通过对从200Hz到20,000Hz的噪声谱积分获得OASPL。

图. 1 D5航空声风洞布局图，为了简洁起见，风洞部件的部分用罗马数字标记：（I）具有9:1的收缩比的喷嘴，

（II）用于气动声学测量的开放式试验段，（III）收集器，（IV）闭合型试验段 用于空气动力学实验。

窄带背景噪声谱显示在图2中。背景噪声本质上是宽带的，并且不能观察到可见的音调。图3显示了OASPL对自由流速度的依赖性，第六幂律被满足，这与其他闭路型风洞类似[12-14]。如Sarradj等人所讨论的，[23],闭路式风洞的背景噪声主要包括轴流风机噪声，相互作用噪声和喷气噪声。由于相互作用噪声和喷射噪声分别是偶极子源和四极子源为主，第六个幂律如图3所示，表明D5风洞的背景噪声主要是由与下游收集器的流动相互作用的现象产生的，而喷嘴噪声对背景噪声的贡献较小。

图.2 D5风洞的背景噪声谱。 图。3 背景噪声的总声压级作为自由流速度的函数。

虚线表示偶极子噪声源的第六幂定律。

为了估计声学性能，将A加权OASPL与世界上的其他声学设施进行比较。由于喷嘴尺寸和麦克风位置彼此不同，测量结果必须在彼此匹配之前进行转换。其方程为[23]：

其中r和S分别是从麦克风到风洞中心线和喷嘴出口区域的距离。我们使用公式(1)计算D5风洞的背景噪声。结果示于图. 4。其他声学设施的背景噪声与从文献[12,13,17,23]获得的数据也绘制在图.4中用于比较。得出的结果表明，D5风洞的背景噪声与其他空气声学风洞相当，达到了声学设计的标准。

3.2流量特性 使用DANTEC恒温风速计获取封闭式试验段中的速度信号。1-D热线探头（55P11）用

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