软性多孔材料圆柱降噪特性实验研究

武天皓 郭 昊 陈 旭 刘沛清

(北京航空航天大学陆士嘉实验室(航空气动声学工业和信息化部重点实验室), 北京 100191)

0 引言

当代民用航空业正处于迅速崛起的进程中,飞机噪声已经成为众人越来越关心的问题之一。影响飞机适航噪声水平的噪声源主要包括两大类：一是机体结构产生的气动噪声，包括在起飞着陆阶段，起落架、起落架舱以及襟副翼组成的增升装置在气流作用下产生的噪声；另一类则是动力装置引起的噪声。研究机体降噪方法，特别是起落架降噪方法，对于提高我国大飞机研制能力具有显著意义。国内外相关研究表明，包裹软性多孔介质可以影响起落架附近流场，耗散声能量，抑制涡脱落，降低其产生的气动噪声。

1999年，Nishimura等人对支柱表面覆盖绒毛织物后的构型进行了风洞实验研究。Nishimura等人于2010年做了更细致的关于绒毛织物降噪的实验。通过风洞实验检验了绒毛织物的哪些参数对于抑制空气动力噪音的产生是重要的。Sueki等人将多孔材料(聚氨酯泡沫和泡沫金属)包裹在支柱外表面，使用麦克风、PIV、压力传感器进行了风洞实验。Geyer等人将软性多孔材料覆盖在支柱表面，以此来降低支柱体(起落架、高速列车受电弓的组成部件)流动噪声。实验研究了多孔材料的流阻率、雷诺数、来流马赫数对支柱噪声的影响。Laura等人对背风面加装柔性翼片、绒毛的支柱进行了风洞实验。魏峥等在风洞中通过使用热线、烟线和PIV设备研究了多孔介质对支柱绕流尾迹区流场的影响。在针对多孔材料进行的数值计算方面，LIU Hanru等人采用了结合二维大涡模拟和FW-H方程的混合算法进行计算，结果显示，支柱表面覆盖多孔材料能使噪声降低，峰值区域变窄，峰值频率移向低频，但不能完全抑制涡脱落峰值。

在本文的研究工作中，对具有较好降噪效果的绒毛织物和喷胶棉两类软性多孔材料进行了噪声和流动测量，以找出软性多孔材料的降噪特点及机制，为今后应用在大型飞机起落架提供重要的参考价值。

1 实验设备

1.1 D5气动声学风洞

本次实验在北京航空航天大学D5气动声学风洞中进行。D5气动声学风洞是一座低速、低湍流度、低噪声回流气动声学风洞，开口试验段风速为0 m/s～80 m/s，风洞来流湍流度小于0.08%。风洞总体长度25.58 m，宽度9.2 m，高度3.0 m。实验段截面为正方形，截面宽度1.0 m，高度1.0 m，如图1所示；闭口实验段长度2.5 m，开口实验段长度2.0 m，集气口切换段长度0.5 m。

图1 D5风洞实验段

1.2 热线测量

如图2所示，使用Dantec公司生产的55P11探针和二维(55p61)热线探头进行热线实验。采样频率为25 600 Hz，每次采样时间为50 s。

图2 探针摆放位置示意图

1.3 噪声测量

使用BK麦克风进行远场噪声测量，安放位置如图3所示。采样时长均为50 s，采样频率为25 600 Hz。

图3 实验中麦克风位置安放图

1.4 喷胶棉和海藻绵参数

本文采取的软性材料为喷胶棉和海藻绵，具体参数见表1。

表1 本文圆柱实验模型及喷胶棉和海藻绵参数

2 实验结果与分析

2.1 声场结果

图4给出了单个麦克风在不同风速下测得的覆盖喷胶棉和海藻绵后0.05 m直径支柱的频谱特性。可以看到，在各个风速下，覆盖喷胶棉和海藻绵都能完全消除由支柱涡脱落引起的纯音噪声。覆盖喷胶棉能完全消除支柱在整个宽频段内的气动噪声，覆盖海藻绵在5 kHz以上的部分产生了额外的高频噪声，且风速越大，该噪声的初始频率越高。

(a) 来流速度为30 m/s

(b) 来流速度为40 m/s

(c) 来流速度为50m/s

(d) 来流速度为55 m/s

为了观察具有最好降噪效果的喷胶棉是否对于多种直径的支柱均有效果，将其覆盖在0.03 m和0.04 m支柱外进行了远场噪声测试。图5和图6分别给出了0.03 m支柱和0.04 m支柱覆盖喷胶棉后在不同风速下的声压级频谱特性。

从图5可以看出，将喷胶棉覆盖在直径为0.03 m的支柱上，虽然涡脱落引起的单音噪声被抑制，尖峰消失，但宽带噪声并不能完全消除。B-2模型远场噪声在低于1 kHz，高于5 kHz的频段依然明显高于背景噪声，但高频噪声显然低于光滑支柱。图6的现象与图5基本一致。

(a) 来流速度为30 m/s (b) 来流速度为40 m/s

(c) 来流速度为50 m/s (d) 来流速度为60 m/s图5 覆盖喷胶棉和海藻绵后直径0.06 m支柱的声谱特性

(a) 来流速度为30 m/s (b) 来流速度为40 m/s

(c) 来流速度为50 m/s (d) 来流速度为60 m/s图6 覆盖喷胶棉和海藻绵后直径0.08 m支柱的声谱特性

2.2 尾迹速度测试结果分析

在来流风速为30 m/s下，对D=14 mm的圆柱进行速度测试。图7和图8分别为覆盖喷胶棉支柱在不同流向位置(y/d)的流向速度和横向速度的展向分布。

(a) 无量纲流向速度

(b) 无量纲流向脉动速度图7 无量纲流向速度与脉动速度

(a) 无量纲横向速度

(b) 无量纲横向脉动速度图8 无量纲横向速度与脉动速度

由图7和8可以看出，以光滑支柱的尾迹流动结构对比来看，相比较而言，多孔柱体尾迹区域速度明显减小，尾迹被拓宽，回流区从=±05拓宽至=±1。并且直至测量的=4时，依然存在着很强的气流剪切，表明此时还未出死水区，说明多孔材料使得支柱尾流沿主流方向被拉长。从脉动量来看，剪切作用最强的区域脉动量最大，其关于流向的性质保持在支柱绕流死水区之内。向的平均速度基本关于原点反对称。通过图7和图8中流向和横向速度脉动曲线可以看出，覆盖喷胶棉支柱流向()和横向()的速度脉动均明显降低，流向速度脉动双峰间距增大，横向速度脉动单峰向双峰转化，再次说明了软性材料表面使得支柱尾迹区域被拓宽。并且，光滑支柱侧向速度脉动沿主流方向先增大后减小，而覆盖喷胶棉的支柱在所测范围内一直增大。这表明软性材料使得涡脱落的位置延后。

(a) 无量纲流向速度 (b) 无量纲流向脉动速度

(c) 无量纲横向速度 (d) 无量纲横向脉动速度图9 圆柱尾迹对称轴上速度沿流向分布(D=14 mm,U=30 m/s)

一般，涡在尾迹中的形成位置用于衡量涡形成长度，可以被定义为沿着支柱后方中心线流向速度脉动的第一个峰值到模型中心的距离。该值影响尾迹的压力分布和对柱体的作用力。图9中显示本次实验测得覆盖软性材料后涡形成长度由光滑支柱的1.6 d延长至5.4 d(喷胶棉)和5.2 d(海藻绵)。这表明覆盖软性材料使得涡脱落的位置延后，软性材料削弱了剪切层的不稳定性，使得涡脱落位置延后，增大了涡形成长度。

4 结论

在北航D5气动声学风洞中，对覆盖软性多孔材料的起落架支柱模型进行了声学测量。实验使用了喷胶棉和海藻绵2种软性多孔材料覆盖在支柱外表面，采用自由场传声器获取远场声谱特性，其声谱结果显示覆盖喷胶棉和海藻绵，能使支柱单音完全消失，但海藻绵会引起高频噪声增加。最优秀的降噪材料喷胶棉，能完全抑制单音噪声和完全消除宽带噪声。分析原因，认为软性多孔材料使得支柱尾迹区两侧剪切层变得细长，减小了尾迹区的涡形成长度，从而削弱了剪切层之间的相互作用。