专利名称：一种喷气发动机降噪装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞机降噪装置，特别涉及一种喷气发动机降噪装置。
背景技术：
飞机的大功率喷气发动机喷流流量非常大，产生高能低频脉动造成极大的 喷流噪声。喷气发动机常规喷管出口为一个光滑的圆形出口，为了达到减噪目 的，采用基于转捩控制原理的发动机喷流降噪技术，该技术是通过控制发动机 喷流在喷管内部形成的附面层和喷管外壁附面层提前转捩，促发生成出湍流高 频小尺度结构降低频脉动转移为高频脉动，加快脉动耗散，进而降低喷流噪声， 达到减噪效果。欧美一些喷气发动机制造公司将喷管出口设计具有波浪型结构 的出口 ，波浪型结构的出口可以加速喷流与发动机外绕流的混合，促使喷流中 的低频大尺度脉动快速演化为高频小尺度结构，高频小尺度脉动处于超声波状 态，易快速耗散，达到降噪目的。此种方式需要改变喷气发动机出口的形状， 增加了加工难度。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种喷气发动机降 噪装置，结构简单、质量小，维护方便，对喷气发动机喷流具有较好的降噪效 果。
本发明的技术方案 一种喷气发动机降噪装置，在喷气发动机喷管出口附 近的内表面设置亚谐共振条带，该亚谐共振条带由平行设置的基频条带和亚谐 频条带构成，基频条带和亚谐频条带均为锯齿结构，从喷气发动机喷管喷出的 气流经过基频条带和亚谐频条带后快速与环境大气混合，促发喷气发动机喷管 内表面附面层快速转捩。
所述的亚谐共振条带可以设置在喷气发动机喷管出口的外表面，用于促发喷气发动机喷管外表面附面层快速转捩。
所述的亚谐共振条带还可以设置在喷气发动机喷管出口的内表面和外表面， 用于促发发动机喷管内表面和外表面附面层快速转捩。
所述的亚谐共振条带设置在距离喷气发动机喷管出口 50mm 1000mm处。 所述的亚谐共振条带与喷气发动机喷管的喷口平行。 所述的亚谐共振条带通过刻蚀、粘贴或镶嵌的方式固定在喷气发动机喷管上。
所述的基频条带对应于喷气发动机喷管内表面附面层或外表面附面层最不 稳定波的特征尺寸，基频条带的长度对应于内表面附面层或外表面附面层最不 稳定波的流向波长，为5mm 50mm,基频条带的宽度对应于内表面附面层或外 表面附面层最不稳定波的展向波长，为5mm 50mm，基频条带的高度不超过喷 气发动机喷管内表面附面层或外表面附面层厚度的一半，为5mm 50mm。
所述的亚谐频条带的长度为基频条带长度的二倍，亚谐频条带的宽度为基频 条带宽度的二倍，亚谐频条带的高度与基频条带的高度相同。
所述的基频条带与亚谐频条带之间的间距等于基频条带的长度。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明基于转捩控制原理，在喷气发 动机喷管出口附近的内表面或外表面设置具有附面层最不稳定波特征波长尺寸 的亚谐共振条带，可以促使附面层快速转捩进入湍流，以加速喷流与发动机外 绕流的混合，从而达到喷气发动机喷流减噪效果。本发明结构简单、不需要改 变喷气发动机原有结构，几乎不会给发动机带来任何额外质量，并且运行稳定， 运行时不需提供功率，维护方^_。
图1为现有技术的示意图2为本发明的结构示意图3为本发明的结构尺寸图4为采用本发明的模拟效果图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细地描述。 亚谐共振波可以加速促发边界层失稳进入转捩，而且这种亚谐共振波的引 入不会引起边界层以外的流动区域的变化(如激波等)。本发明的设计基于转捩
控制原理，主要用于主动控制附面层转捩。如图2所示，在喷气发动机喷管1 出口附近的内表面或喷气发动机喷管出口附近的外表面，或喷气发动机喷管1 出口附近的内表面和外表面设置具有附面层最不稳定波特征波长尺寸的亚谐共 振条带，亚谐共振条带由两条平行位置的基频条带2和亚谐频条带3组成，基 频条带2和亚谐频条带3均为锯齿结构，从发动才几喷管喷出的气流经过基频条 带2和亚谐频条带3后快速与环境大气混合，促发发动机喷管内表面附面层快 速转捩。亚谐共振条带安装在距离发动机喷管出口 Y=50mm 1000mm的位置 上，与喷气发动机喷管1的喷口平行，基频条带2与亚谐频条带3可以采用航 空用材料，例如铝合金、钛合金等通过刻蚀、粘贴或镶嵌的方式固定在飞机机 翼1的上表面。基频条带2和亚谐频条带3具有流向和展向两个特征尺度，分 别对应喷气发动机喷管1内表面附面层或外表面附面层最不稳定波的流向和展 向特征尺寸，从而使喷气发动机喷出的气流快速与环境大气混合，这种激励可 以促使内、外表面附面层快速转捩进入湍流，以加速喷流与发动机外绕流的混 合，促使喷流中的低频大尺度脉动快速演化为非常容易耗散的高频小尺度流动 结构，从而达到喷气发动机喷流减噪效果。
本发明的理论彭出是对扰动形式的Navier-Stokes方程进行求解。
针对标准的 一 维守恒型方程组
<formula>formula see original document page 6</formula>
改进的MacCormack有限差分格式为:<formula>formula see original document page 7</formula>
使用格式(2)可以较好的对扰动形式的Navier-Stokes方程组进行求解 扰动形式的Navier-Stokes方程为
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中
(<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula><formula>formula see original document page 9</formula>
//可近似地由r的函数给出y"' = A)(<formula>formula see original document page 9</formula>
F'。在上面给出的粘性
通矢量的脉动量中，(wD' = O。+w')〈+i/、0。由于0、)'， (MrJ', (v、)'，
( )',(W，(釘丄(釘^)',—J的表达式与("、)'相似，不再此处
详细给出。 一旦U'由方程(3)计算给出，则流动的脉动量可由下式给出
M 二- V =- w 二-
上述各式中参数的含义如下
通量项
粘性项
时间
三维向量
密度
速度
p压强
内能
q热流
r剪切应
Re雷诺数
《马赫数
T温度
Pr普朗特数〃 粘性系数
^ 体常数 根据以上的理论方法，在一定的飞机飞行条件下和发动机工作参数下，可 得到喷气发动机降噪装置的几何尺寸等参数。使用以上提到的直接数值模拟方 法，可以得到喷气发动机喷管内表面或外表面附面层的最不稳定波的频率、波 长和特征尺度，根据此不稳定波的波长和特征尺度设计基于转捩控制原理的喷 气发动机降噪装置的几何尺寸等参数，基频条带的特征尺寸对应于喷气发动机 喷管内表面或外表面附面层内最不稳定波的特征尺寸，即基频条带的长度对应 内表面附面层或外表面附面层最不稳定波的流向波长，基频条带的宽度对应内 表面附面层或外表面附面层最不稳定波的展向波长，基频条带的高度不超过内 表面附面层或外表面附面层厚度的一半，亚谐频条带与基频条带的间距与基频
具体关系为亚谐频条带的长度和宽度分别为基频条带长度和宽度的二倍，亚谐 频条带的高度与基频条带的高度相等。
飞机一般飞行条件为高度0Km 15Km,飞行速度0m/s 300m/s，根据上述 飞行条件计算出喷气发动机降噪装置的特征尺寸如图3所示，本发明亚谐共振 条带的具体几何尺寸和安装角度为亚谐共振条带由两条平行位置的基频条带 和亚谐频条带组成，基频条带的每个锯齿结构为长度为5mm 50mm,宽度为 5mm 50mm,高度为5mm 50mm;亚谐频条带每个锯齿结构的结构为长 l_=10mm~100mm，宽D=10mm~100mm,高H=5mm~50mm;基频条带2与 亚谐频条带3之间的间距与基频条带2的长度相等，为5mm 50mm。
例如，在飞行马赫数^ =0.1，飞行高度为OKm的飞行器，喷流速度为 M=860.0m/s，无量纲雷诺数为Re, =1.6"06/肌，根据以上方法计算可得在距离 发动才几喷管出口 375mm， Re工=1.(^106截面处，喷气发动片几喷管内表面附面层的 不稳定波频率为9.6KHz，内表面附面层内不稳定波展向和流向不稳定波长为 20mm，由此可设计安装在喷气发动机喷管内表面亚谐共振条带如下基频条带单元锯齿结构的长度为20mm，宽度为20mm,高度为15mm;亚谐频条带单 元锯齿结构的长度为40mm,宽度为40mm,高度为15mm,基频条带与亚谐 频条带之间的间距，为20mm,安装角度为与发动机喷口平行。
在飞行马赫数M①-0.8,飞行高度为10Km的飞行器，飞行速度为
w=240.1m/S,大气密度为/^0.41351Kg/m3，无量纲雷i若数为Re丄=1.6xl06/w ,才艮
据以上方法计算可得在距离发动机喷管出口 600mm， r、 =5.0><106截面处，喷 气发动机喷管外表面附面层的不稳定频率为20.1KHz,外表面附面层内不稳定 波展向和流向不稳定波长为9mm,由此可设计安装在喷气发动机喷管外表面的 亚谐共振条带如下基频条带单元锯齿结构的长度为9mm,宽度为9mm，高 度为9mm;亚谐频条带单元锯齿结构的长度为18mm,宽度为18mm,高度为 9mm，基频条带与亚谐频条带之间的间距，为9mm，安装角度为与发动机喷口 平行。
如图4所示，流场中涡结构演化情况的数值模拟了流场中有无亚谐共振的 研究结果，图4 (a)是没有亚谐共振条带时的结果，从图中可以看出当流场中 没有亚谐共振时流场存在大尺度结构的涡，图4 (b)是引入亚谐共振条带时的 结果，当流场中发生亚谐共振时大尺度涡被快速破碎形成小尺度涡。这说明， 亚谐共振条带可以快速的将发动机喷流的大尺度涡结构破碎为小尺度结构，能 有效降低喷气发动机喷流噪音。
本发明未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。
权利要求
1、一种喷气发动机降噪装置，其特征在于在喷气发动机喷管(1)出口附近的内表面设置亚谐共振条带，该亚谐共振条带由平行设置的基频条带(2)和亚谐频条带(3)构成，基频条带(2)和亚谐频条带(3)均为锯齿结构，从喷气发动机喷管(1)喷出的气流经过基频条带(2)和亚谐频条带(3)后快速与环境大气混合，促发喷气发动机喷管(1)内表面附面层快速转捩。
2、 根据权利要求1所述的一种喷气发动机降噪装置，其特征在于所述的 亚谐共振条带可以设置在喷气发动机喷管(1 )出口的外表面，用于促发发动机 喷管(1 )外表面附面层快速转捩。
3、 根据权利要求1所述的一种喷气发动机降噪装置，其特征在于所述的 亚谐共振条带还可以设置在喷气发动机喷管(1 )出口的内表面和外表面，用于 促发发动机喷管(1)内表面和外表面附面层快速转捩。
4、 才艮据权利要求1、或2、或3所述的一种喷气发动机降噪装置，其特征 在于所述的亚谐共振条带设置在距离喷气发动机喷管(1)出口 50mm 湖0mm处。
5、 根据权利要求1、或2、或3所述的一种喷气发动机降噪装置，其特征 在于所述的亚谐共振条带与喷气发动机喷管(1)的喷口平行。
6、 根据权利要求1、或2、或3所述的一种喷气发动机降噪装置，其特征 在于所述的亚谐共振条带通过刻蚀、粘贴或镶嵌的方式固定在喷气发动机喷 管(1)上。
7、 根据权利要求1、或2、或3所述的一种喷气发动机降噪装置，其特征 在于所述的基频条带(2)对应于喷气发动机喷管(1)内表面附面层或外表 面附面层最不稳定波的特征尺寸，基频条带(2)的长度对应于内表面附面层或 外表面附面层最不稳定波的流向波长，为5mm 50mm,基频条带(2)的宽度 对应于内表面附面层或外表面附面层最不稳定波的展向波长，为5mm 50mm，基频条带(2)的高度不超过喷气发动机喷管(1)内表面附面层或外表面附面层厚度的一半，为5mm 50mm。
8、 根据权利要求1、或2、或3所述的一种喷气发动机降噪装置，其特征 在于所述的亚谐频条带(3)的长度为基频条带(2)长度的二倍，亚谐频条 带(3)的宽度为基频条带(2)宽度的二倍，亚谐频条带(3)的高度与基频 条带(2)的高度相同。
9、 根据权利要求1、或2、或3所述的一种喷气发动机降噪装置，其特征 在于所述的基频条带(2)与亚谐频条带(3)之间的间距等于基频条带(2) 的长度。
全文摘要
一种喷气发动机降噪装置，在喷气发动机喷管出口附近的内表面设置亚谐共振条带，该亚谐共振条带由平行设置的基频条带和亚谐频条带构成，基频条带和亚谐频条带均为锯齿结构，从发动机喷管喷出的气流经过基频条带和亚谐频条带后快速与环境大气混合，促发发动机喷管内表面附面层快速转捩。本发明基于转捩控制原理，亚谐共振条带对应于喷气发动机喷管内外表面附面层最不稳定波的特征尺寸，可以促使附面层快速转捩进入湍流，以加速喷流与发动机外绕流的混合，从而达到喷气发动机喷流减噪效果。本发明结构简单、不需要改变喷气发动机原有结构，几乎不会给发动机带来任何额外质量，并且运行稳定，运行时不需提供功率，维护方便。
文档编号F02K1/46GK101307734SQ20081011344
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月28日 优先权日2008年5月28日
发明者关发明, 清 沈, 锋 纪 申请人:中国航天空气动力技术研究院