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亚临界雷诺数圆柱绕流远场气动噪声实验研究
李玲 , 刘沛清 , 邢宇 , 郭昊 , 田云     
北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100083
摘要: 针对亚临界雷诺数下圆柱绕流的气动噪声问题,在北京航空航天大学D5气动声学风洞中进行了圆柱绕流远场气动噪声的实验研究。在D5气动声学风洞实验段不同来流条件下,测量消声室中距离圆柱不同位置的自由场传声器的远场声压信号,经过快速傅里叶变换(FFT)获得亚临界雷诺数下圆柱绕流气动噪声随来流速度、接收点距离的变化规律。实验结果表明:圆柱绕流的远场气动噪声在垂直气流方向最大,随着偏离垂直方向角度的增大噪声逐渐减小,属于典型的偶极子噪声源辐射特性;远场气动噪声近似与来流速度的6次方成正比,与接收点到圆柱中心距离的2次方成反比,这说明偶极子类型的噪声源是圆柱绕流的主要噪声源。
关键词: 圆柱绕流     气动噪声实验     亚临界雷诺数     声学特性     噪声产生及传播机理    
Far-field aeroacoustic experimental study of flow around a circular cylinder at subcritical Reynolds number
LI Ling , LIU Peiqing , XING Yu , GUO Hao , TIAN Yun     
School of Aeronautic Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
Received: 2015-06-03; Accepted: 2015-09-11; Published online: 2016-05-25 12: 00
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (11272034)
Corresponding author. Tel.: 010-82339568 E-mail:lpq@buaa.edu.cn
Abstract: To study the aeroacoustics of the flow around a circular cylinder at subcritical Reynolds number, the experimental investigation of far-field aerodynamic noise generated from flow past a circular cylinder was carried out in D5 aeroacoustic wind tunnel at Beihang University. Under variable flow conditions in the D5 test section, the signal of the sound pressure obtained from the free-field microphones at different positions in the anechoic chamber was measured. The dependence of far-field noise on free stream velocity and receiver position was acquired with the fast Fourier transform(FFT). With the qualitative and quantitative analysis of the aeroacoustic characteristics, the experimental results validate that the noise emitted from the circular cylinder is the largest in the direction vertical to the flow and decreases with the angle increasing, belonging to the characteristics of the sound radiated from a dipole sound source. The far-field aerodynamic noise generated from the cylinder is proportional to the sixth power of flow speed and inversely proportional to the twice power of the distance between the receiver and the center of the circular cylinder, confirming the domination of the dipolar noise source.
Key words: flow around a circular cylinder     aerodynamic noise experiment     subcritical Reynolds numbers     acoustic characteristics     mechanism of noise generation and radiation    

圆柱绕流是一个典型的流动问题,广泛存在于航空航天、船舶以及风工程[1-2]等实际工程问题中。其流动尾流区域存在卡门涡街、流动分离和层流湍流的转捩等复杂的流动现象[3-4]。长久以来围绕圆柱绕流的流动、减阻等难题进行了深入细致的研究,而对于圆柱绕流噪声的研究却是从1878年Strouhal[5]开始的,接下来也有众多的学者研究了圆柱绕流气动噪声的基本理论和传播机理(例如文献[6-10])。圆柱绕流的噪声现象是基本声源的叠加,即单极子声源、偶极子声源和四极子声源。上述3类噪声源的综合作用严重影响着流场内噪声及远场监测点接收的噪声,其中最主要的是由于流体与圆柱表面相互作用产生的不稳定压力而导致的偶极子声源[11]。Revell等[12]对雷诺数为4.5×104~4.5×105和马赫数为0.1~0.5的表面光滑和粗糙的圆柱绕流气动噪声进行了实验性研究,发现声压级(Sound Pressure Level,SPL)很大程度上受到阻力系数的影响,由此掀起了气动噪声研究热潮,圆柱绕流气动噪声的研究又一次成为气动噪声研究的主角。

目前,国内的气动噪声研究大部分基于数值模拟(例如文献[11, 13-14]),而气动声学实验研究还处在起步阶段,尚亟待开展。因此,在北京航空航天大学D5气动声学风洞进行了圆柱绕流气动声学测量实验,实验段的风速范围在30~80 m/s,雷诺数Re为4.1×104~1.1×105,在亚临界区范围内(300≤Re<3×105),此时,附面层仍为层流分离,而尾迹已转变为湍流涡街。对测量点的声压进行快速傅里叶变换(FFT)可以得到频域下的声压规律、监测点声压级和总声压级(Overall Sound Pressure Level,OASPL)。进而对不同的圆柱绕流流动状态下的声场进行定性与定量的分析,探讨圆柱绕流在亚临界区雷诺数范围内的周期性流动现象的声学特性和圆柱绕流的噪声产生及辐射机理,为进一步研究圆柱等钝体绕流的流动控制和降噪技术做铺垫。

1 实验设备

为了研究气动噪声问题,在北京航空航天大学国家流体力学教育部重点实验室建造的1 m×1 m的D5气动声学风洞中进行圆柱绕流气动声学测量实验。风洞的实验设备介绍如下:风扇直径为2.26 m,轮毂比为0.6,转速为750 r/min,风速为100 m/s,电机功率为210 kW,桨叶16片,压增1 600 Pa,效率为83.8%。风洞的总体结构如图 1所示,图中:Ⅰ为喷口(收缩比9∶1);Ⅱ为开口实验段(宽1 m×高1 m×长2 m);Ⅲ为集气口;Ⅳ为闭口实验段;围绕实验段建造了一个6 m×6 m×7 m封闭的全消声室,吸声结构采用平板吸声体,消声室自由场的低频截止频率为200 Hz。

图 1 D5气动声学风洞总体结构 Fig. 1 Layout of D5 aeroacoustic wind tunnel
2 实验模型

圆柱绕流气动噪声实验是在风洞开口实验段的消声室中进行的,圆柱尺寸为直径0.02 m,位于风洞喷口下游0.8 m的位置上。

实验中,来流速度U范围为30~80 m/s,通过分布在不同监测点位置的传声器的使用,测量得到不同风速下的声压信号,处理得到不同监测点的声压级频谱及其A声级,再通过积分计算得到监测点的总声压级。实验多次测量圆柱噪声,进行重复性检验和修正以消除操作误差。

针对60 m/s来流速度下2.0 m监测点进行了5次噪声实验测量,声压级频谱图和A声级频谱图结果的重复性检验如图 2所示,从图中可以看出偏差基本上在±1 dB范围内,因此说明在相同的条件下实验风洞流场和声场在不同时刻具有良好的稳定性。

图 2 实验重复性检验 Fig. 2 Experimental repeatability test
3 实验结果 3.1 不同来流速度圆柱绕流气动噪声

U=30~80 m/s条件下,监测点分别位于圆柱轴线距离2.0 m和2.5 m的垂直位置上,测得的圆柱绕流气动噪声的频谱图与对应来流速度下风洞的背景噪声进行对比,结果如图 3图 4所示。

图 3 2.0 m处不同来流速度下的声压级频谱 Fig. 3 SPL spectrum of 2.0 m at different speeds
图 4 2.5 m处不同来流速度下的声压级频谱 Fig. 4 SPL spectrum of 2.5 m at different speeds

通过图 3图 4可以看出圆柱绕流气动噪声的声压级高于风洞背景噪声的声压级曲线,而且都大于5 dB,尤其圆柱主频下的声压级尖峰值要高于背景噪声30 dB以上,说明风洞能很好地测量圆柱噪声和捕捉圆柱的主频及尖峰。

同时从图 3图 4中还可以看出,随着来流速度的增加,圆柱绕流气动及背景噪声的声压级都在逐渐递增,圆柱绕流气动噪声与背景噪声的间距也越来越大,圆柱绕流气动噪声的主频在逐渐递增。对于圆柱这种典型的钝体而言,其尾迹流动常用量纲分析后获得的周期性流动特征的相似准数——斯特劳哈尔数(St)进行描述[15]

通过St=fD/U(f为频率,D为圆柱直径)和圆柱绕流气动噪声声压级与U6成正比这2个数学关系式,将频率和声压级进行无量纲化处理,参考速度Uref=10 m/s,得到2.0 m和2.5 m监测点的无量纲声压级SPL-60lg(U/Uref)随St的频谱图,如图 5所示。

图 5 2.0 m和2.5 m处无量纲声压级频谱 Fig. 5 Non-dimensional SPL spectrum of 2.0 m and 2.5 m

通过图 5可以看出,圆柱绕流的监测点噪声近似与U6成正比,St在一个很小的范围内波动。由于本实验的来流速度范围为30~80 m/s,相应Re=4.1×104~1.1×105,在亚临界雷诺数范围内。亚临界雷诺数范围内Revell等[12]实验得到St=0.195~0.200,Norberg[16]实验得到St=0.180~0.191;在Re=1.6×103~1.5×105,St的经验公式为St=0.185 3+0.026 1e-0.9x2.3,x=lg(Re/1 600)。将圆柱监测点声压级的主频进行整理,与经验公式求得的对应雷诺数下的St进行对比,其结果见表 1表 2

表 1 2.0 m处的涡脱落频率 Table 1 Vortex shedding frequency of 2.0 m
U/(m·s-1)ReStSt参考值误差/%
304.1×1040.1760.188 96.7
405.5×1040.1760.187 66.1
506.8×1040.1880.186 80.6
608.2×1040.1810.186 52.9
709.6×1040.1760.186 25.4
801.1×1050.1800.186 03.2

表 2 2.5 m处的涡脱落频率 Table 2 Vortex shedding frequency of 2.5 m
U/(m·s-1)ReStSt参考值误差/%
304.1×1040.1760.188 96.7
405.5×1040.1760.187 66.1
506.8×1040.188 0.186 80.6
608.2×1040.1810.186 52.9
709.6×1040.1800.186 23.3
801.1×1050.1800.186 03.2

通过表 1表 2中可以看出,此次实验的结果与Revell等[12]和Norberg[16]的实验与经验公式得到的涡脱落频率基本上相差不大,除个别来流速度条件下实验结果存在6%的误差,其他情况与已有结果吻合良好,说明实验误差在可以接受的范围之内,进一步说明在D5气动声学风洞内进行的圆柱绕流气动噪声实验是确信可靠的。

3.2 不同距离圆柱绕流气动噪声

在60 m/s来流速度条件下测量圆柱绕流气动噪声,监测点位于喷口下游0.8 m的位置,同时距离圆柱轴线1.5、2.0、2.5、2.7 m,测量得到圆柱绕流声压级频谱和A声级频谱,如图 6所示。

图 6 U=60 m/s不同距离的声压级频谱 Fig. 6 SPL spectrum of different distances at U=60 m/s

图 6可以看出,距离圆柱轴线不同位置的监测点的声压级基本上满足其距离越远声压级越低的关系,而且声压级的曲线基本上是平移的关系,1.5 m监测点要高出2.0 m监测点4 dB左右,2.0 m监测点噪声比2.5 m监测点噪声要大2 dB左右,2.5 m和2.7 m由于距离间隔较小,基本上是重合的2条曲线。

同时从图 6可以看出,尽管监测点的距离有所不同,但是频谱图的尖峰值对应的主频基本上是相同的,也就说明捕捉到的圆柱尾缘的涡脱落周期是一致的。

为了进一步观察圆柱绕流监测点声压级与监测点到声源的距离的关系,取参考距离Rref=1 m,对监测点到声源的距离进行了声压级无量纲化SPL+20lg(R/Rref)处理,得到声压级频谱和A声级频谱,如图 7所示。

图 7 不同距离无量纲后的声压级频谱 Fig. 7 Non-dimensional SPL spectrum of different distances

通过图 7可以看出,对监测点到声源的距离进行无量纲化之后,不同声传播距离的声压级频谱图基本上重合为一条曲线,显著地表明其声压级的尖峰值对应着相同的尾缘涡脱落频率,同时也验证了该圆柱绕流气动噪声的声压级基本上满足与声传播距离的2次方成反比的数值关系。

3.3 圆柱绕流气动噪声指向性

为研究圆柱绕流气动噪声问题的指向性,将监测点如图 8所示布置:监测点在距离圆柱轴线2.0 m和2.5 m的圆周半径r上,偏角θ变化范围是60°~120°,间隔是10°,一共布置14个监测点进行声压级指向性的测量。

图 8 指向性监测点分布示意图 Fig. 8 Schematic of directivity arrangement of monitors

传感器测量的声压,经过快速傅里叶变换得到声压级,通过积分可以得到不同速度下不同监测点的总声压级。2.0 m和2.5 m监测点在不同来流速度下的总声压级的指向性曲线如图 9所示。总声压-A声级的指向性曲线如图 10所示。

图 9 不同来流速度下总声压级的指向性曲线 Fig. 9 Directivity curves of OASPL at different speeds
图 10 不同来流速度下总声压-A声级的指向性曲线 Fig. 10 Directivity curves of A-weighted OASPL at different speeds

图 9图 10可以看出,随着来流速度的增加,监测点总声压级逐渐升高。同时还可以看出,圆柱绕流的噪声特性基本上是与来流方向成90°的监测点总声压级最大,向喷口和集气口方向偏移的监测点的总声压级都逐渐递减,大体上满足偶极子噪声源的噪声特性。

但是在r=2 m的指向性圆周上,当θ=120°,即越靠近集气口的监测点声压级没有如预测似的下降反而却有所增加,这可能是由于r=2 m圆周上,偏转120°的监测点距离风洞轴线较近,而风洞喷收口边缘到风洞中心轴线的距离是0.5 m,布置较近的监测点可能会受到一定程度的风场的干扰。同时也可能是由于监测点布置的距离及角度在测量上存在操作误差。

4 结 论

通过在北京航空航天大学D5气动声学风洞进行的圆柱绕流气动声学实验,得到了圆柱绕流在亚临界区雷诺数范围内的声学特性和圆柱绕流的噪声产生及辐射机理。

1) 圆柱表面交替涡脱落产生的非定常脉动力是产生噪声的主要原因,远场噪声指向性在垂直气流方向最大,随着偏离垂直方向角度的增大噪声逐渐减小,属于典型的偶极子噪声源辐射特性。

2) 随着来流速度的增加,接收点到声源距离的减小,监测点的声压级增大;而且圆柱绕流气动噪声与来流速度的6次方成正比,与接收点到声源距离的2次方成反比,进一步说明偶极子类型的噪声源是圆柱绕流的主要噪声源。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0364
北京航空航天大学主办。
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李玲, 刘沛清, 邢宇, 郭昊, 田云
LI Ling, LIU Peiqing, XING Yu, GUO Hao, TIAN Yun
亚临界雷诺数圆柱绕流远场气动噪声实验研究
Far-field aeroacoustic experimental study of flow around a circular cylinder at subcritical Reynolds number
北京航空航天大学学报, 2016, 42(5): 977-983
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2016, 42(5): 977-983
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0364

文章历史

收稿日期: 2015-06-03
录用日期: 2015-09-11
网络出版时间: 2016-05-25 12: 00

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