Page 17 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 宋晓等： 开孔结构流致噪声的数值模拟和机理分析 339

很容易将其与空腔流致噪声相联系。考虑传声损失 的工况，同时也可以根据飞机的典型飞行剖面，正向
以及飞机内部噪声环境的影响，舱内测得的纯音噪 设计开孔几何尺寸，避免飞行中发生流声共振现象。
声幅值与空腔内的噪声源幅值有一定的差异，但频
700
率与空腔内的纯音频率一致。 Rossiter I വগ
600 Rossiter II വগ
౏ื ງएவՔ1᫽ܦവവগ
ᓎܱ 500 ᮻᛡតᰎϙ
ᗜᄕ
f/Hz
ᓎЯ 400
300
ቇᑿ
200
100

͜ܦ٨ 0
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Ma
图 6 某开孔结构示意图
图 7 空腔纯音随马赫数变化规律
Fig. 6 Schematic diagram for open-hole structure
Fig. 7 Variation of dominant tone frequency with
将飞行高度26000 ft、飞行速度0.53 ∼ 0.66 Ma Mach number
时的实测噪声频率与经验公式预测的频率值进行
3.2 开孔结构模型和计算状态
对比分析。预测值根据式(3) 和式 (4) 计算获得。其
中，空腔长度 L 取腔口的等效长度 L eff = 265 mm 计算模型为简化的某开孔结构， 如图 8 所
(空腔直径 D = 300 mm)，α 和 K 参考 Rossiter 关 示。其中直径 D = 300 mm，管道的中心线长度
于长深比为 1 的空腔的取值，α = 0.25，K = 0.61， H l = 447 mm，空腔内的 4 个监测点位于顺气流方
深度取管道的中心线长度 H = 447 mm。当地声 向的中心截面。图 9 为网格结构示意图，划分方法
4
速是飞行高度的单值函数，该飞行高度下的声速 与标模算例相同，网格总数为 510 × 10 。流场计算
c = 308 m/s。 域边界位于距空腔前缘 10倍空腔深度外，其中上游
图 7 为经验公式的预测值与实测数据的对比。 边界距空腔前缘的距离参考开孔结构相对飞机机
从图中可以看出，在 0.53 ∼ 0.66 Ma，空腔实测的 头的位置。本文参考飞行包线的范围和可能出现流
频率随马赫数的变化规律符合 Rossiter经验公式的 声共振的工况，选取 26000 ft、0.43 Ma 工况进行仿
预测结果，1阶频率与Rossiter I模态预测值相吻合， 真计算。详细的计算状态见表1。
2 阶频率与 Rossiter II 模态预测值相吻合。该马赫
z
数范围内，空腔的自激振荡频率与空腔深度方向 y
的 1 阶驻波模态频率有一定差异，空腔只出现了自  x

激振荡现象。随着马赫数的减小，Rossiter I 模态频

率将与空腔深度方向的 1 级驻波模态频率吻合，空
腔内可能发生流声共振现象，纯音噪声幅值将被放

大。因此，当飞行高度为 26000 ft 时，某开孔结构在
0.4 Ma附近可能发生较严重的空腔噪声问题。
图 8 空腔几何模型
空腔的经验公式众多，但是任何一种公式都有
Fig. 8 Model cavity
具体的适用范围，也都离不开试验的验证 [14] 。本文
的分析表明，经典 Rossiter 公式可以准确地预测圆 表 1 数值计算参数
形空腔自激振荡噪声。采用经典 Rossiter 公式预测 Table 1 Parameters for numerical-

时，L、α 和 K 参数的选取十分重要。对于本文提及 simulation cases
的圆形开孔结构，采用等效长度计算的结果与实验
马赫数 飞行高度/ft 来流压力/Pa 大气密度/(kg·m −3 ) 温度/K
值吻合较好。此外，Rossiter公式结合驻波模态计算
0.43 26000 36000 0.53 237
公式可以识别出不同高度下空腔结构噪声较严酷