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内埋武器舱气动声学特性与噪声抑制研究

杨党国  
【摘要】:武器内埋是先进飞行器武器携带方式的发展趋势。然而,超声速内埋武器舱流动极复杂,舱内存在流动分离、剪切层不稳定、涡生成与脱落、膨胀波/激波、激波/激波、激波/边界层相互干扰等,诱发的舱内压力剧烈脉动、流激振荡和强烈噪声,不仅可引起武器舱及内埋武器系统结构疲劳破坏,而且可能引起舱内电子仪器仪表工作失灵,甚至可能影响到内埋武器安全分离,导致其产生非常规运动,造成机毁人亡的严重后果。因此,开展武器舱流激振荡发声机理研究,探索武器舱流场结构与舱内噪声的内在关联,了解武器舱气动声学特性影响因素,寻求切实可行的武器舱噪声抑制方法能够为我国先进飞行器内埋武器舱设计和声学相关问题解决提供技术支撑和理论依据。 本文研究发现,武器舱内声学特性与武器舱流场结构密切相关,舱内剪切层不稳定运动、流动分离形成的旋涡运动、剪切层与舱内流动相互作用或与舱后壁撞击作用是诱发舱内强烈噪声的关键因素,超声速时舱内存在膨胀波、斜激波使得舱内噪声比亚声速更强。开式武器舱剪切层对舱内流动影响较小,舱前后部流动相互连通,易形成声波反馈回路,导致舱内出现多个声压峰值激振频率;过渡式和闭式武器舱剪切层触及舱底面,特别是超声速时,因剪切层触及或偏离舱底面产生的一道或两道斜激波将武器舱划分为两个或三个较独立的流动区域,舱后部区域内的强烈噪声不能顺利到达舱前部区域,故舱内未形成声波反馈回路,很少出现声压峰值激振频率。 来流马赫数(M)增大,剪切层与舱内流动或舱后壁相互作用增强,超声速时舱内产生膨胀波或斜激波,使舱内同一测点相同离散频率对应的声压级升高,舱内噪声更强;来流边界层厚度与舱深度比(δ/D)减小,舱内形成的剪切层与舱内流动相互作用加大,舱内噪声更强。武器舱长深比(L/D)减小,武器舱流动类型逐渐从闭式转变为过渡式或开式,舱内多数测点声压级升高,声压峰值激振频率逐渐增多,对应的声压值相应增大,舱内噪声更强。武器舱宽深比(W/D)减小,武器舱流动类型基本不变,舱内多数测点声压峰值激振频率基本不变,但部分激振频率对应的声压值略微增大。 开式武器舱流激振荡模态预估方法和激振频率预测是进行舱内噪声抑制研究的关键。对Rossiter和Heller的开式空腔流激振荡模态预估方法进行了分析,采用的激振频率预测半经验公式中常数值选取方法,经试验结果验证基本可行。武器舱侧壁角度(?s)增大,舱流动类型基本不变,舱内多数测点声压级略微降低,声压频谱特性变化较小,此方式对抑制舱内噪声有利;武器舱后壁角度(?r)增大,舱内多数测点声压级降低,舱后壁前区域内声压级降低明显,此方式对舱内噪声抑制效果明显;舱后缘倒圆弧与后壁倒角效果基本相同,对舱内噪声抑制效果较好。前缘添加立齿和前后缘添加平齿对舱前缘来流边界层流动特性影响较大,引起舱内压力脉动更剧烈,噪声更强;底面添加泄压管能够有效抑制舱内噪声,弯曲或堵住泄压管对舱内噪声抑制效果较好,截短泄压管对舱内噪声抑制效果较差。 前缘吹气方式对舱内噪声抑制效果较好。低频活塞式零质量射流亚声速时对舱内噪声抑制效果较好,超声速时几乎无效果;射流出口垂直舱前壁的射流方式对舱内噪声抑制效果较好,射流出口垂直来流的射流方式对舱内噪声也有抑制效果,射流出口垂直舱后壁的射流方式导致舱内多数测点声压级升高,对舱内噪声抑制效果差;射流出口形状为狭缝的射流方式对舱内噪声抑制效果比射流出口形状为圆孔的好,活塞激振振幅和激振频率小范围变化对舱内噪声抑制效果影响很小;来流马赫数(M)或武器舱长深比(L/D)增大零质量射流对舱内噪声抑制效果变差;高频声激励式零质量射流在亚声速时对舱内噪声有抑制效果,但跨超声速时效果较差,当射流频率与舱内流激振荡一阶或二阶激振频率接近时,一定条件下射流对舱内噪声抑制效果较明显,在某些L/D时,射流频率变化对舱内测点声压值影响较小,但对声压峰值激振频率值影响较大。


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