火箭发动机地面试验喷流消声方案研究

火箭发动机地面试验喷流消声方案研究

论文摘要

火箭发动机启动后会产生强烈的气体喷流噪声,是发动机研制过程中的重大污染源,对发动机试验设备的正常运行、测试和参试人员的健康以及试验场内外环境都极为不利。进行火箭发动机地面实验喷流消声方案研究,是一项意义重大的工作。本文分析了三种基本声源特性并进行了比较。火箭发动机试验喷流噪声中的湍流噪声源属于三种声源中的四极子声源,其气流噪声声功率与速度的高次方成正比。致力于降低排气速度,首先对长尾管减速降噪进行了分析,效果不明显,然后对激波减速降噪的机理进行了研究,得到噪声声功率及噪声声功率级与激波角、楔形体半顶角以及波前马赫数的关系。经过编程分析得出:随着激波角的增大,噪声声功率和声功率级减小,在同一变化范围内(即马赫数小于2或大于2)噪声声功率和声功率级随着马赫数的增大而增大。如果气流经过一个楔形体后还是超声速,则应再加上第二个楔形体继续进行激波减速降噪直到气流降为亚声速,之后采用扩压段可以继续降低气流噪声。增大楔形体半顶角可以增大消声量。在消声器内部加上圆管,减速降噪效果比加上楔形体要好,经过楔形体将气流降为亚声速后,再通过扩压管继续减速增压有良好的消声效果。对消声方案进行了实例分析,实例分析的结果和编程分析的结果一致。同样致力于降低排气速度,提出通过加上截面变化的管道做减速降噪消声器。经过编程分析得到出口速度系数、出口马赫数、温度等气流参数和出口面积比的关系。实例分析结果表明气流噪声声功率级随着喉部直径的变小而变小,但是减小的幅度不大。增大出口面积比能大幅度的降低气流噪声声功率级。对小孔喷射消声进行了理论分析。利用小孔将噪声从低频转向人耳不敏感的高频,从声源上进行消声。通过对某卸压阀进行消声方案设计,得到了这种消声器无论在主观上还是客观上都有良好的消声效果。实例分析的结果表明这种消声器总的阻力损失不是很大,保证了消声器内部气流流动的通畅。对消声器进行模态分析得到消声器的固有频率(基本上都处于低频范围)和固有振型。如果个别固有频率接近噪声源的频率,应采取结构灵敏度分析和结构动力修改加以避免,消声器应力和应变集中在消声器入口处,可以采取加厚壳体,改变其刚度等措施来减小应变量。对消声器内部流场进行了仿真分析,得到截面变化加楔形体的结构具有良好的消声性能,冷却计算结果表明水冷通道能够控制材料的温度在使用范围之内。对消声器进行模态分析得到消声器的固有频率(基本上都处于低频范围)和固有振型。通过加厚壳体,改变其刚度等措施可以避免个别固有频率接近噪声源的频率。

论文目录

  • 目录
  • 图目录
  • 表目录
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 课题背景和研究意义
  • §1.2 国内外发展和研究现状
  • §1.3 本文研究的主要内容
  • 第二章 火箭发动机地面试验喷流噪声的声源及频谱特性
  • §2.1 引言
  • §2.2 三种基本声源
  • §2.3 声学基本物理量
  • §2.4 噪声的主观评价
  • §2.5 消声器性能的评价
  • §2.6 试验喷流噪声的频谱特性
  • 2.6.1 试验喷流结构
  • 2.6.2 试验喷流的湍流噪声
  • 2.6.3 试验喷流的冲击噪声
  • 2.6.4 试验喷流冲击噪声中离散的单频啸叫
  • §2.7 试验喷流降噪的基本手段分析
  • §2.8 小结
  • 第三章 减速降噪消声方案研究
  • §3.1 引言
  • §3.2 长尾管减速降噪分析
  • 3.2.1 长尾管减速降噪理论分析
  • 3.2.2 长尾管减速降噪实例分析
  • §3.3 激波减速降噪分析
  • 3.3.1 斜激波前后气流参数关系
  • 3.3.2 激波减速降噪理论分析
  • 3.3.3 激波减速降噪实例分析
  • §3.4 截面变化减速降噪分析
  • 3.4.1 截面变化对气流参数的影响
  • 3.4.2 截面变化减速降噪理论分析
  • 3.4.3 截面变化减速降噪实例分析
  • §3.5 减速降噪消声器内部流场仿真分析
  • 3.5.1 数学模型的建立
  • 3.5.2 算例及其分析
  • §3.6 强度分析
  • §3.7 小结
  • 第四章 小孔喷射消声方案研究
  • §4.1 引言
  • §4.2 小孔喷射消声理论分析
  • 4.2.1 小孔喷射消声
  • 4.2.2 节流降压消声
  • 4.2.3 小孔喷射消声实例分析
  • §4.3 小孔消声器模态分析
  • 4.3.1 模态分析简述
  • 4.3.2 消声器模态分析过程
  • §4.4 小结
  • 第五章 总结与展望
  • §5.1 结论
  • §5.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录1:攻读硕士学位期间发表的论文
  • 相关论文文献

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