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《国防科学技术大学》 2010年
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大功率调制气流声源的数值模拟与实验研究

赵云  
【摘要】:调制气流声源是一种经典的频谱可控的大功率强声源,一直以来人们对其内部流场和流动致声过程缺乏细致深入的分析。本文建立了调制气流声源的数值仿真模型,搭建了声源内部流场和近距离声场的实验测试系统。对一种射流式调制气流声源在不同工况和结构参数下的换能过程和声场特性进行了较为系统的研究。本文首次完成了声源装置中超声速射流调制的设计和实现,通过对激励调制信号的特殊设计,获得了较为显著的声压级增益。本文考虑了若干不同形式的声源内气动系统设计,对相关的瞬态流场进行了仿真分析,从中探讨了喉道形状对声能转换过程的影响。 本论文的主要研究内容和结论如下: 对调制气流声源内部瞬态流场和近距离声场的数值仿真模型进行了研究。为克服传统一维准稳态理论预测声源性能的局限性,基于瞬态雷诺时均方程耦合FW-H声类比的混合气动声学方法,建立了可应用于具体声源装置的气流声源仿真模型。声源内部流场仿真结果与实测结果的比较说明,将混合气动声学方法应用于气流声源性能预测和换能过程研究在理论和实现上是可行的。 基于粒子图像测速(PIV)、单点测压和强声场测试方法,建立了调制气流声源流动致声实验系统,获取了不同气室压力、几何结构参数和激励信号等条件下的声源内部速度场、压力场和近距离声场数据。研究了声源装置可调参数对内部流场和外部声场特性的影响。稳态流场实测结果证实了内流场具有流动分离、管口回流和剪切分层等特性。声源频率响应测量结果表明,内气动系统的高速流动对调制部件的振动过程有影响。声源内压力扰动量级随气室压力和激励信号强度的增加而增加,静压频谱结果中能量集中在基频和高次谐波。不同声源参数下,近距离声场结果在量级和频谱特性等方面的变化与扰动压力的变化保持一致。 基于所建立的声源仿真模型,进一步研究了气室压力、喉道入口宽度、调制频率和气体工作介质等参数对声源性能和声能转换过程的影响。模拟结果表明,喉道内压力扰动量级随气室压力的增加而逐渐趋于饱和,改变喉道入口宽度对真实的调制面积比和声学区域静压值的变化影响不大,不同调制频率对应的声源内部静压值分布及其变化过程具有显著差异。对于高频调制,声源内部存在明显的非线性波形失真和附加衰减作用,在剪切层中可见旋涡的产生和对流过程。 超声速调制有望从原理上突破声压级输出随气室压力的增加而趋于饱和的限制。本文通过实验测试和模拟分析两种途径,研究了超声速射流受限调制的换能过程和增益特性。声场实测结果表明,当气室压力和激励信号强度较高时,超声速调制能够在低频和频率响应峰值附近等调制度较高的频段产生更高的声压级输出。500Hz超声速调制实验中1米处RMS声压级大于150dB,比相同条件下的声速调制结果高8dB左右。为解释声压级增益的频率相关性,模拟分析了设计马赫数3、频率500Hz的超声速调制换能过程。模拟结果验证了超声速调制的增益效果,但发现调制过程中喷管内未完全形成超声速流动,原因是超声速流动形成的速度低于喷口面积变化的速度。为实现对真实超声速射流的调制,提出了延时调制的概念。模拟结果验证了采用所设计的延时调制信号能够较大幅度提高超声速调制的入口流量和压力扰动量级。 为研究声源内气动系统具体设计对换能过程的影响,考虑了多种喉道型线形状。在相同工况条件下,比较了内部瞬态流场的演化过程。不同设计获得的平均流动和声能转换过程存在显著差异。喉道设计的更改影响了压力扰动的形成和压力波形的频谱特性。其中,高速主流与压力扰动之间的相互作用、喉道出口两侧的阻抗匹配情况被认为是重要的影响因素。此外,为降低部分喉道设计对应的结果中压力波形的严重失真和压力扰动的空间不均匀性,本文提出了一种外喷式内气动系统设计。模拟结果验证了外喷式设计的作用效果。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O422

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