一种喷流试验管路系统的设计方法与流程

本发明涉及喷流试验管路系统技术领域，尤其是涉及一种喷流试验管路系统的设计方法。

背景技术：

飞机在起飞和着陆时所辐射的高噪声会造成机场附近区域的严重噪声污染。随着公众环保意识的增强、城市居住密度的提高，噪声成为飞机适航性的主要指标之一，且适航噪声的限值要求也越来越严。飞机的主要噪声源是发动机噪声，喷流噪声是发动机噪声的主要的噪声源之一。为适应适航噪声限值的发展趋势，喷流噪声的控制需要进行更深入的研究。喷流噪声缩比模型试验是喷流噪声研究的重要手段，是验证喷流噪声理论研究、获得不同喷口噪声特性的重要途径。因此获得纯净的喷流噪声是喷流噪声缩比模型试验台架的主要目的。目前，国内外已建成有用于发动机的喷流噪声的缩比试验台架，但各试验台架个组成部分的参数相差较大，喷流噪声试验台架管路的系统设计方法还比较缺乏，有必要对喷流台架管路提出系统优化设计方法，为获得纯净的喷流噪声提供指导，并为不同实验室台架的试验数据具有可对比性提供指导。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种喷流试验管路系统的设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种喷流试验管路系统的设计方法，包括以下步骤：

s1：根据试验目标，获取喷流试验管路系统的要求参数，要求参数包括喷口流速、喷口直径、测量频率范围、测点与喷口的距离、测点与喷口的连线和喷嘴中心线的夹角范围等。

s2：计算喷流试验管路系统的喷口直径、空压机容积流量、储气罐容积、储气罐压力与供气时间的关系曲线，根据计算的曲线组和试验测量时间的要求，确定气源参数，进而获取排气噪声声功率级。

气源的供气时间t的计算具体如下：

其中，m1为储气罐初始的高压空气质量。m2为临界压力时的空气质量，低于临界压力气源无法正常供气。m3为喷嘴在单位时间内的喷流质量，m4为空压机单位时间内的排气质量。m1、m2、m3、m4分别由下式计算：

上式中：p1为储气罐的初始气压，优选0.5mpa～10mpa；v1为储气罐容积；

r为理想空气常数；t1为储气罐气体的开尔文温度；

p2为储气罐的临界气压，选取为1～2个大气压；

ae为喷嘴出口截面积；pe为喷嘴处气体压强；

p0为喷嘴出口外气体压强，选取为1个大气压；

κ为空气的比热比；te为喷嘴处气体的开尔文温度；

ve为喷嘴处气流流速；q为空压机容积流量；

p4为空压机进气气压，选取为1个大气压。

根据关系曲线组和试验测量时间的要求、场地限制条件，确定空压机容积流量、储气罐容积、储气罐压力等气源参数。确定气源参数后，根据确定的气源参数进行空压机选型和储气罐选型，并获得所选型号的排气噪声声功率级。

s3：计算不同口径阀门的噪声，确定阀门口径；由喷流速度、喷嘴口径和收缩比确定管路重要控制参量稳压段管径；由稳压段管径确定管路中的扩压段和阀后直管段；预测管路噪声源强，根据气源和管路噪声源强，以及稳压段管径，确定消声段参数和稳压段长度，确定收缩段参数。

计算不同口径管路阀门的噪声声功率级，确定阀门口径。按下式计算阀门噪声的声功率级lw，阀门。对不同口径的阀门噪声进行计算，结合实际可供的阀门口径，选择声功率级尽可能小的阀门口径。

式中，lθ为与阀门角度θ阀有关的修正值，ρe为喷嘴处气流的密度，ρ0为一个标准大气压下空气密度，s阀为阀后直管段截面积，θ阀为阀门和管道中心线的夹角，θ阀值为0度时，修正值为30；θ阀为45度时，修正值为42；θ阀为60度时，修正值为51。

根据喷口流速上限要求、收缩比(稳压段面积与喷嘴面积之比)、稳压段流速确定管路控制参数稳压段管径。稳压段与喷口的面积比，即收缩比，优选控制在60～150，稳压段内空气流速控制在2～15m/s。采用二次收缩，即在稳压段与喷嘴之间的收缩段和喷嘴中分别完成收缩。根据下式可以得到喷嘴处气流的密度ρe，对于收缩比n0，稳压段内的气体流速为：

扩压段出口直径即为稳压段直径d稳压段。扩压段入口直径为阀后直导管管径，阀后直导管的管径d阀后直管优选为0.1～0.2m。扩压段两端直径确定后，根据5°～8°的扩张角优选范围确定扩压段长度l扩压段，按下式计算：

阀后直导管的长度和直径之比应至少大于10，据此确定阀后直导管长度l阀后直管。

计算弯管再生噪声声功率级，与阀门噪声叠加，计算管路总声功率级。按下式计算弯管噪声声功率级lw，弯管：

式中，d弯管为弯管管道直径；f为频率；v弯管为弯管管道内的气流速度；空压机排气噪声声功率级、阀门噪声声功率级、弯管噪声声功率级叠加的总声功率级根据下式计算：

确定消声量、消声结构及长度、整流器长度和稳压段长度。对最高喷流流速，根据气源系统总噪声声功率级lw计算传递到消声室内的噪声级，与喷流噪声在同一点处的噪声级l喷流进行比较，即可确定消声段所需消声量tl消声器，具体计算如下式所示：

tl消声器＝lw-10log(4πd²)-l喷流+10

式中，d为l喷流对应的测点与喷嘴的距离。

根据消声量要求确定消声结构吸声系数和长度，消声结构消声量tl^*消声器与消声结构吸声系数α消声和长度l消声器的关系按下式计算，且tl^*消声器应不低于tl消声器。

式中，lb为消声器横截面中铺设吸声材料的总周长，sb为消声器通道截面积。

消声段安装在稳压段起始端，消声器内径与稳压段相同。整流器放置于稳压段内消声段之后，整流器由蜂窝网和2～3层金属筛网组成，蜂窝网和金属筛网目数优选20目～40目，蜂窝网长度优选2cm～5cm，整流器总长度优选10cm～30cm。稳压段长度l稳压段为消声段和整流器长度及2～5倍稳压段直径的长度之和，其计算公式如下：

l稳压段＝l消声器+l整流器+c·d稳压段，c＝2～5

s4：根据测量频率要求和测量距离要求，确定喷嘴前直管段长度、消声室参数和排气通道参数。具体内容包括：

(1)确定收缩段的收缩比和长度、喷嘴入口直径。收缩段连接稳压段，入口直径与稳压段管径相同。收缩段的收缩比(收缩段入口面积与出口面积之比)优先选取6～15，据此可确定收缩段出口管径。收缩段出口直径为喷嘴入口直径。收缩段的长度取入口管径的0.8～1.5倍左右。

(2)根据测点与喷嘴的距离要求、测量角度要求和测试频率要求，确定喷嘴前直管段的长度。收缩段与喷嘴之间有一段直管，伸入消声室内部，用于稳定收缩段后的气流。出口直管的长度ls应满足：

ls＞l尖劈+ndmcosθmin+d0

其中，l尖劈为消声室内吸声尖劈的长度，dm为喷嘴口径，n为整数，ndm为测点与喷嘴的距离，θmin为最小测量角度，即测点与喷嘴的连线和喷嘴中心线的夹角。d0为最小测量角度θmin处测点到尖劈的水平距离，不低于最低测量频率对应的1/4波长。

(3)根据测试频率要求确定尖劈长度和消声室尺寸。尖劈长度l尖劈和最低测试频率f0应满足：

其中，c为声速。

采用全消声室对喷流噪声进行测量。根据消声室内六个面的一次反射声能叠加在直达声能上所造成的与自由声场的偏差，来确定消声室的净空尺寸。

为节约消声室用地，喷口并不必须位于消声室中心。对于纯音、声源不在消声室中心的情况，测点处总声压级与直达声压级之差为：

式中，d为喷嘴(声源)到测点的距离；li为喷嘴到测点反射声的声程；rp为尖劈的声压反射系数；k＝2π/λ，λ为波长。

对于宽频噪声、声源不在消声室中心的情况，测点处总声压级与直达声压级之差δlp为：

消声室的长、宽、高lx、ly、lz应满足：

lx≥2d0+d+dcosθ

ly≥2d0+d+dsinθ

lz≥d0+d+h

式中，h为喷嘴高度，即喷嘴在高度上与尖劈的距离。

(4)确定消声室内的排气通道，排气通道由锥形气体收集器和矩形管道组成。气体收集口位于正对喷嘴的消声室内壁上，收集口与喷嘴同轴，收集角度优先选取为30°～45°，收集口深度不超过尖劈。收集口出口面积不低于稳压段截面积。

s5：根据获取的喷嘴前直管段长度、消声室参数和排气通道参数对喷流试验管路系统进行设计。

与现有技术相比，本发明考虑到管路气流噪声和气动性能方面的影响，将气源系统、管路系统、测点测试环境等看成整体系统进行优化设计，满足不同喷流流速条件下纯净平稳喷流噪声的设计要求，本发明方法对重要参数的先行确定使得设计步骤清晰、层次分明，可得到优化的喷流试验台架系统，获得可靠准确的喷流噪声数据，具有良好的适用性和准确性。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为测量角度示意图；

图3为消声室一次反射声示意图；

图4为消声室排气通道示意图；

图5为本发明方法步骤实施优化流程图；

图6为本发明实施例中喷流试验台架系统组成示意图；

图7为测量过程中不开启空压机的供气时间曲线组；

图8为测量过程中开启空压机的供气时间曲线组；

图9为消声器消声量指标图；

图10为消声器消声结构的吸声系数图；

图11为本发明实施例的设计方案图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明涉及的喷流试验系统的组成包括气源系统、压力控制系统、管路系统和测试消声室，如图6所示：气源系统由空压机和储气容器组成，压力控制系统包括阀门、压力传感器和压力控制回路，管路系统包含阀门后直管段、扩压段、消声段、稳压段、整流装置、收缩段、喷嘴前直管段、喷嘴，收缩段、喷嘴前直管段、喷嘴放置于测试消声室中。根据喷流试验系统的组成，本发明涉及一种喷流试验管路系统的设计方法，该方法包括的步骤如下：

1、根据试验目标，获取喷流试验技术要求参数。本实施例涉及的喷流试验系统要求喷嘴流速为0.6ma～1.6ma，喷嘴直径为2.5cm，测点与喷流轴向角度范围不低于-30°～120°，测点与喷嘴的测量距离不低于40倍喷嘴直径，测试频率不低于100hz。

2、根据喷口尺寸、喷流流速，对不同容积、罐内压力的储气罐、不同容积流量的空压机所提供的气源供气时间进行估算，得到空压机容积流量、储气罐容积、储气罐初始压力、喷嘴流速与供气时间的关系曲线组，测量过程中不开启空压机的供气时间曲线见图7，测量过程中开启空压机的供气时间曲线见图8。图7和图8中的空压机容积流量为空压机容积流量为12m³/min。根据计算结果，结合场地具体空间大小，选用20m³容积的储气罐，储气罐初始工作压力为0.8mpa，此时1.6ma流速时供气时间可达约10分钟，满足测试的要求。

3、对0.075m、0.1m、0.15m三种口径的阀门计算阀门噪声，根据实际应用情况，口径选用0.1m。阀门口径确定为0.1m，阀后直管段的管径与阀门一致，为0.1m。阀后直管段的长度不小于管径的10倍，长度取1m。

稳压段是喷流试验台设计的关键一段，稳压段的设置，使气流速度分布均匀，导直气流，使各点气流方向均平行于管道轴线，降低气流的紊流度。最大喷流速度为1.6马赫数，收缩比不低于70，根据收缩比可得出稳压段管径应大于200mm。同时，稳压段内流速应尽量低，对于最大喷流速度1.6马赫数。稳压段内流速控制在约5.0m/s，经计算，稳压段管径取0.25m。

扩压段入口管径与阀后直管段一致，为0.1m；扩压段直接连接消声段，消声段内径与稳压段一致，因此扩压段出口管径为0.25m。扩散角扩压段选取为5°，计算得到扩压段长度为1.8m。

预计管路系统有两处弯管，计算空压机噪声、阀门噪声、弯管噪声叠加的总噪声在喷嘴90°方向最大测量半径处的声压级，与该处喷流噪声的大小相比较，消声量指标曲线如图9所示。消声器的通流面积与稳压段相同，取消声段内直径为25cm，消声段内壁所贴吸声材料厚度10cm，选用容重为48kg/m³的玻璃棉，表面采用穿孔率为25％的铝板，穿孔板厚度为1mm，孔半径为5mm，三聚氰胺海绵作为护面，厚度3mm。消声器消声结构的吸声系数见图10。计算得到消声器长度应不低于1.2m。

整流段采用两组间距约0.4m的整流网，第一组为15～25三层整流网，第二组为2～3层40～50目整流网。

消声段后的稳压段长度为1m，稳压段总长为2.6m。

4、收缩段是试验台管路的最后一段，连接稳压段与喷嘴，将稳定后的气流加速达到所需的速度，送入喷嘴。稳压段管径0.25m，取收缩比10，收缩段出口管径为0.08m。取入口管径0.25的0.8倍，收缩段长度为0.2m，采取直线收缩方案。

收缩段与喷嘴之间用直管段连接，直管伸入消声室，使气流到达测试位置从喷嘴喷出。气流通过第一段收缩，会产生不稳定的现象，需要设置喷嘴前直管段来稳定气流。喷嘴前直管段管径与收缩段出口管径一致，为0.08m。喷嘴前直管段长度至少应大于管径的10倍，即至少应大于0.8m。伸入消声室内的长度ls还应满足式下式：

ls＞l尖劈+40dmcosθmin+d0

其中，l尖劈为消声室内吸声尖劈的长度，dm为喷嘴口径，40dm为测点与喷嘴的距离，θmin为最小测量角度，即测点与喷嘴的连线和喷嘴中心线的夹角，如图2所示。d0为θmin对应的测点与尖劈的水平距离。

最低测量频率为100hz，根据计算，直管段长度至少应不小于2.5m，取2.5m。

最小测量角度θmin要求为30度，取喷嘴距下尖劈高度1.5m，最低100hz的测量频率，与自由声场最大允许偏差设为±1db，消声室界面吸声系数控制在0.9以上，根据下列公式的计算，尖劈长度不低于0.85m，消声室除去尖劈长度的内净长、宽、高分别为3.5m、3m、2.7m，净空间体积约30m³。

式中：

d为声源到测点的距离，即图3中的as；

li为声源到测点反射声的声程，即图3中的aos；

rp为尖劈的声压反射系数；

k＝2π/λ，λ为波长。

对于宽频噪声、声源不在消声室中心的情况，测点处总声压级与直达声压级之差为：

消声室长、宽、高lx、ly、lz还应满足：

lx≥2d0+d+dcosθ

ly≥2d0+d+dsinθ

lz≥d0+d+h

式中：

h为喷嘴高度，即喷嘴在高度上与尖劈的距离。

5、根据获取的喷嘴前直管段长度、消声室参数和排气通道参数对喷流试验管路系统进行设计。

确定消声室内的排气通道，排气通道由锥形气体收集器和矩形管道组成，见图4。气体收集口位于正对喷嘴的消声室内壁上，收集口与喷嘴同轴，收集角度优先选取为30°～45°，收集口深度不超过尖劈。收集口出口面积不低于稳压段截面积。空气从喷嘴喷入消声室后，需要由排气口排出消声室。排气管道内边长0.22m，根据几何位置关系，可算得排气口中心处与喷嘴相距约2m，正对喷流轴向方向，在排气管道入口设置一个方锥形的气体收集器。

图11为本发明实施例的设计方案图，包括气源系统、阀后直管段、扩压段、消声段、整流段、收缩段、直管段、消声测试环境、排气段等，气流速度可涵盖低速、亚音速、超音速范围，最大喷口流速可达2.0马赫数，测试半径可达3米。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。