喷管尺寸对火箭发动机喷流噪声影响研究

2 0 1 3年 6月

西北工业大学学报 J o u r n a l o f No r t h we s t e r n P o l y t e c h n i c a l Un i v e r s i t y

J u n e 2 O 1 3 Vo l J 3 1 No . 3

第3 1卷第 3期

喷管尺寸对火箭发动机喷流噪声影响研究 李林，胡春波，邓哲，李佳明 (西北工业大学航天学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 )

摘要：为了研究喷管尺寸对火箭发动机喷流噪声声场分布的影响规律，采用 L E S与F w. H相结合的 方法，针对不同喷管尺寸的高温燃气喷流气动声场进行了数值模拟，并分析了声场特性。数值结果表明，火箭发动机喷流远场噪声具有方向性，噪声声压级在离开喷流中心轴线4 0。处达到最大值；喷流噪声声场的声压级随着喷管尺寸的增大而增加。研究结果为不同尺寸的火箭发动机喷流噪声预测提供参考依据。

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词：火箭发动机，喷流噪声，数值模拟，大涡模拟，喷管尺寸 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 2 7 5 8 ( 2 0 1 3 ) 0 3 - 0 3 4 5 - 0 5

中图分类号： V 4 3 0

火箭发动机的喷流噪声是燃气喷流所伴随的固

管，分别对其进行喷流噪声数值仿真，分析喷流噪声声场的分布特性及喷管尺寸对火箭发动机喷流噪声的影响。

有现象，其声压级可达到 1 5 0 d B以上，对工作人员身体健康造成极大伤害，并带来严重的环境污染。 有效预测火箭发动机喷流噪声声场分布具有极其重要的意义。 国外对于火箭发动机喷流噪声的研究起步较早， G e l y - l 1 针对法国 A i f a n e V运载火箭发射过程中的噪声控制进行了系统的实验研究。S h e n& T a m- 2 l 3 采用计算气动声学方法研究超音速喷流啸音，研究结果表明，这种方法在研究啸音这种非线性流动发声问题上具有巨大潜力。L i& G a o H通过雷诺时均法针对超音速喷流啸音开展了一系列研究，在喷流噪声频率和幅值预测、激波系运动上取得了显著进

1数值计算方法 1 . 1计算模型

整个噪声的计算分为 2步来进行，首先对喷流流场进行数值仿真；其次，提取声源面上的流场数据，并通过 F w. H方程计算声场分布

中任意一点的 噪声频谱特性。 1 . 1 . 1流场控制方程

喷流噪声计算对于流场数据具有较高的精度要

展。国内喷流噪声研究起步较晚，汪洋海对超音速喷流啸音的发声机理进行了理论及实验研究。徐悦 7 -对火箭发动机喷流噪声的降噪方法进行了实 验研究。综上所述，国内外学者针对火箭发动机喷

求，且计算量较大。直接数值模拟 ( D N S )对网格质量、数量要求较高，计算成本较大；雷诺时均法无法准确描述瞬态流场的变化。综合考虑计算成本及精度，本文采用大涡模拟 ( L E S )模型。L E S的控制方程是对 N a v i e r - S t o k e s方程在波数空间或物理空间进 行过滤得到的。过滤的过程是去掉比过滤宽度或给

流噪声声场分布规律开展了一定的研究工作，但对于喷流马赫数高于 2,燃温高于 2 0 0 0 K的火箭发动机喷流噪声研究较少。 本文主要分为二部分，首先，采用 L E S与 F w— H

定物理宽度小的漩涡，从而得到大涡旋的控制方程 0 pui 十 M一

相结合的方法针对某型喷管喷流噪声测量实验进行数值仿真，并通过与实验结果的对比验证该数值方法；其次，设计 3种相同出口马赫数、不同尺寸的喷 收稿日期： 2 0 1 2 - 0 6 - 1 2 作者简介：李

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f 1 )

基金项目：国家自然科学基金 ( 5 O 9 7 6 0 9 5 )资助

林( 1 9 8 6一),西北工业大学硕士研究生，主要从事航空宇航科学与技术研究。

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