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小型气动声学风洞的设计和性能
摘要：在北京航空航天大学的D5气动声学风洞是一座低湍流度和低背景噪声的新型在役小型回流式风洞。这座风洞为测试飞行器或缩放模型的气动和声学特性而建造。这座风洞有两个试验段，闭口试验段用来空气动力测试，开口试验段则主要用来气动声学实验。两个试验段尺寸都是1m*1m，最大风速都能达到80m/s。在测试段外设置有消音室以提供无反射环境。本文阐述了一个小型风洞的设计准则和性能标准的概况，着重讨论了这座风洞的布局和一些提高气动和声学性能的设计方法。通过一些测试D5风洞气动声学性能的实验，证实了其测试段中心湍流度低于0.08%，背景噪声能和其他气动声学风洞相比拟。作为基准测试，在该风洞中测量一个简单的标准噪声模型——起落架，结果证实模型噪声辐射在一相当大的频率范围内较背景噪声足够高，和文献结果高度一致。
关键词：气动声学风洞、背景噪声、气动声学性能
一、导言
随着航空运输业的发展，飞行器起飞和降落过程中产生的噪音辐射成为人们的主要关注点。在过去的40年里因为高涵道比涡扇发动机的广泛应用，发动机噪声已经减少了20-30分贝。因此减少起飞和降落阶段的机身噪声越来越受人关注。过去十年的机身噪声研究的成果已经被概括在文献里，未来的研究应该更广泛地关注噪声的来源和噪声削减技术。
机身各部分周围的流动状况混合多样，因此其噪声产生的机制难以理解。即使结合声学类比方法的计算流体力学已经广泛应用于机身噪声预测，但受限于网格精度，尤其针对高频率范围，其仍旧缺少足够的精度。然而，风洞试验能够引导我们理解噪声产生机制，其结果也能被当作基准，用来校验数值计算的结果。
由于测试段存在较大的背景噪声，气动声学实验不能被视作普通的风洞试验。作为气动声学的测量要求，一个声学设备需被确保处在一个低背景噪声水平的环境中。在相当宽的频率范围内背景噪声需要至少低于6分贝，或低于模型辐射噪声。在测试段的湍流强度也要足够低以减少不必要的噪声。另外雷诺数和马赫数会影响空气动力学和气动声学的特征，因此为覆盖典型工作条件，最大风速和喷管尺寸需要谨慎设计。
在本文中将讨论D5小型气动声学风洞的设计标准和性能。第二章将阐述其主要设计标准和风洞布局，以及减少背景噪音和提高流动质量的一些主要声学、空气动力学设备。之后在第三章，一些实验结果将证实风洞的气动、声学性能。最后在第四部分将一个简单噪声模型——起落架的测试结果和LAGOON工程测试的被视为基准的结果进行比较。结果显示D5风洞的气动声学性能能和世界各气动声学风洞性能相媲美，D5风洞有能力用来研究气动声学。
二、设计和布局
2.1、设计标准
北航的D5气动声学风洞是一种小型的回流式风洞。因设计目的是研究航空器部件复杂空气动力现象和气动声学性能，其设计准则就是能同时进行空气动力实验和气动声学实验。
D5风洞设计了两种试验段：一个被消音室包围的开口试验段和一个闭口试验段。前者被用来气动声学实验，后者被用来空气动力实验。两者具有相同的截面大小：1m*1m。这种两用设计理念和最安静的大型气动声学风洞之一RTRI相似。同时为了气动声学测量参考一些声学设备采取了开口试验段的回流式结构设计。
D5风洞最重要的设计目标是低背景噪声。在试验段风速80m/s时距离轴线1.5m处的总声压级少于85分贝。因为湍流作用会产生不必要的噪声，所以测试段的流动质量也是一个重要的设计指标。在闭口试验段常见风速30m/s到80m/s的范围内，核心区域湍流度低于0.08%。
另外一个重要的设计指标是风洞测试段的最大风速。因为D5风洞被设计用来测试飞行器结构气动声学，所以其最大风速设置为飞行器典型的起飞、降落速度80m/s。最大雷诺数能被提高到1.5*106。参考其他气动声学风洞，采用轴流风扇来驱动气流连续、稳定地流动。风扇有16片扇叶，其最大体积流量可达到100m3/s，足够满足测试段最大风速的要求。
2.2、风洞布局和建设
D5气动声学风洞的布局如图1所示，它包含了一个射流器、一个收集段、一个稳定段、两个扩散段、一个轴流风扇、和四个拐角。在稳定段设置了一个蜂窝器和数张阻尼网用来减少气流波动。为了减少背景噪声，所有风洞内墙表面铺设了消声衬垫或双层微孔结构面板。
图1 D5气动声学的总体布局。部分风洞结构为表示简洁用罗马数字表示：（Ⅰ）收缩比9:1的射流喷管；（Ⅱ）进行气动声学测量的开口试验段；（Ⅲ）收集段；（Ⅳ）用于空气动力测试的闭口试验段
2.3、声学设计
利用两种手段减少背景噪声，一种是双层微孔结构面板，另一种是消音衬垫。双层微孔结构面板消音器较多地安装在风扇段地内表面，能有效减少风扇噪声。这种消音器有两层，第一层120mm厚，穿孔比率为2%，第二层180mm厚，穿孔比例1%。D5风洞其他内表面覆盖有消声衬垫。其用玻璃纤维和多孔金属面板制造，厚度150mm。这些衬垫的作用是当气流流过风洞时进一步减弱背景噪声。
为确保无反射条件，在试验段外建造了一个巨大的消音室（长7m、宽6m、高6m）。其频率截点为200Hz。
2.4、气动设计
数项措施的应用保证了良好的流动品质方便空气动力测量。最有效减少气流波动和不均匀性的措施是蜂窝器和阻尼网。Scheiman和Brooks指出蜂窝器能有效减少气流速度的横向波动。Pankhurst指出长径比大致为10的蜂窝器能有效减少气流波动。对于D5风洞，如图1所示，在稳定段设置了一个蜂窝器。蜂窝器采用常用的六边形，每一个六边形10mm宽200mm长，相当于长径比为20。蜂窝器的下游是数张金属丝阻尼网。每张阻尼网有大量的宽1.06mm的正方形孔，金属丝直径为0.27mm。为有效减少湍流度，两层阻尼网之间的距离应大于30倍的网孔尺寸，D5风洞为500mm。阻尼网能阻断大于网格尺寸的涡，减少轴向气流的波动，进一步减少气流横向波动和不均匀性。
射流器有9:1的大收缩比，并且射流器内部收缩曲线被谨慎设计以避免在出口处出现气面分离。当气流经过射流器时其波动和不均匀性被进一步减少。
当气流经过拐角时易发生气面分离导致流动不均匀性、较大的气流波动和能量损失。因此所有的拐角需要设置有导流片以导引流动。早期研究显示等间隔的导流片在直角拐角处有减少流动波动的好处。根据这项研究，在第一、第二拐角处设置了9片导流片，在第三、第四拐角设置了13片导流片。D5风洞使用的导流片的截面形状为修改后的双圆弧翼型。
三、性能特征
在这一节，我们将介绍D5风洞的背景噪声和湍流强度。所有展示的结果都建立在相同的笛卡尔坐标系上，坐标原点位于射流段出口截面的中心，x轴、y轴、z轴分别为顺气流方向、水平方向、垂直方向。
3.1、背景噪声
风洞背景噪声在消音室中由Bruuml;el amp; kJaelig;r 4189型号1/2英寸的自由场麦克风测量。麦克风放置在试验段中心距离射流段出口1.5m远处的z=0平面内。测量背景噪声时试验段速度范围从40m/s（1/2Umax）至80m/s（Umax），采样率为65536，记录时间50秒。声音信号被分为1000个区域，重叠率为66.7%。每个区域在快速傅里叶变换之前经过一次汉宁窗处理，其最后1000个区域的平均频谱经过光顺处理。本文所示所有窄频带都有一个16Hz的宽度。因为消音室的截断频率为200Hz，所以测得的噪声积分频谱总声压范围为200Hz至20000Hz。
窄频段背景噪声频谱如图2所示。在自然界中背景噪声为宽频带，没有明显的声调可以观察。图3显示总声压在自由流速度下，类似于其他回流式风洞，其六次方准则受人满意。正如Sarradj和其他人讨论的，回流式风洞的背景噪声主要包括轴流风扇噪声、干涉噪声和射流噪声。因为干涉噪声和射流噪声分别受偶极子噪声源和四级子噪声源控制，图3所示的六次方准则表示D5风洞的背景噪声中射流噪声影响较小，主要是产生于下游收集段的流动干涉。
图2 D5风洞的背景噪声频谱
图3 背景噪声的总声压可以视作为自由流速度的函数方程。虚线是偶极子噪声来源的六次方曲线
通过和世界其他气动声学设备相比较来预测D5风洞的声学性能。因为喷管和麦克风的位置不同于其他声学设备，所以测量值需要转换。公式如（1）所示：
(1)
其中r和S分别为麦克风到风洞中心线的距离和射流出口截面积。我们使用Eq来测量D5风洞的背景噪声，其结果展示在图4上。来自于各文献的其他声学设备的背景噪声也列在图4上以比较。结果表明D5风洞的背景噪声能与其他气动声学风洞相媲美，其设计基准达到先进水平。
图4 D5气动声学风洞的总声压等级和世界上其他声学设备的对比
3.2、气动特征
用一个DANTEC恒温风力计来获取闭口试验段的速度信号。1-D火线探针（55P11）用来测量x方向流线速度，采样频率20000/s，采样时间60s。能获取主要的速度和脉动速度。用一个全电脑控制的三自由度系统控制探针位置。
测试速度为40m/s，在x=0.1m的平面上沿y轴方向的气流湍流强度分布如图5所示。它清楚地显示在试验段核心湍流强度量级低于0.08%。然而在外部区域湍流强度增加很快，在y=450mm处湍流强度最大值达到了0.17%。外部高强度的湍流主要受风洞内壁边界层影响。该影响会导致气流外部区域流速减慢、流动波动增加。总的来说D5风洞闭口试验段达到了设计目标。
图5 在x=0.1m的平面上沿翼展方向（y轴）湍流强度的分布
四、简单起落架噪声的测量
通过测量一个缩比的简单起落架模型来验证D5风洞的气动声学性能。这个模型的形状和LAGOON工程一样，体积为1/2以防止堵塞效应的影响。这个模型有三个主要的部分，分别为一根支柱、一根轴和两个轮子。轮子的直径为0.15m。所有部分和LAGOON工程一样都倒立来确保流过模型的气流是湍流。
这个起落架模型水平安装在试验段中，一个Bruuml;el amp; kJaelig;r 4189型号的1/2英寸的自由麦克风被放置在据模型中心2.0m的气流流经位置。测量时风速60m/s。所有为了获取、分析数据的参数设置和3.1章介绍的一致。
为了证实测量的准确性，现在的实验结果和LAGOON工程的标准结果相比较。因为模型尺寸不同，自由流速度和麦克风位置不同，声学数据必须转换成同一条件进行比较。已有的研究表明马赫数和亥姆霍兹数应该跟随噪声转换进程，自由流速度的噪声谱应满足双重定标。在低频率内，加载六次方准则，在高频率范围内加载七次方准则。数据转换公式如下：
(2)
(3)
其中A是测试模型的表面积，R是麦克风到模型中心的距离，下标L和m分别指示LAGOON工程和当前的实验数值。Eq指出噪声频率遵从亥姆霍兹数值法则。
图6展示的是根据Eqs公式（2）和（3）转换成LAGOON工程条件的起落架和背景噪声的比较。它清楚地表明测量到的背景噪声在相当宽的频率范围内强度至少比起落架低6分贝。同时可看到在中频率范围内，有着10分贝的大差距。将测得结果与LAGOON工程相比较，两个结果相当吻合，证明测得的噪声成分中主要是起落架噪声。总的来说D5风洞具有气动声学测量探究的能力。
图6 简单起落架噪声（红线）和D5风洞的背景噪声（黑线）对比。LAGOON工程的测试结果（蓝线）也被标注在图中来比较。
五、结语
北航建造了一座小型气动声学风洞。本文阐述了风洞的设计准则和总体布局。其具有一个正方形的尺寸1m*1m的测试段。双层微孔结构面板和消声衬垫铺设在风洞内表面用来减弱背景噪声。同时，安置在稳定段的蜂窝器和数张阻尼网用来提升流动品质。风洞的气动声学性能和空气动力性能都被检测和证实。结果显示其背景噪声能和世界上其他的气动声学风洞相媲美。其测试段核心区域湍流强度低于0.08%。声学性能和空气动力性能都达到设计目标。最后测试了一个简单的起落架噪声模型作为基准。结果显示起落架的噪声辐射强度比背景噪声高至少6分贝，满足了对气动声学的测量要求。
小型低速风洞收缩段流动的
数值模拟和优化
摘要：介绍了风洞收缩短设计的原则；收集并比较了几种已有研究的收缩曲线。使用商业计算流体力学软件：fluent。比较了使用3D轴对称收缩的不同收缩曲线的k-ε模型的流动质量，并给出了为满足不同使用要求时，如何选择收缩曲线的建议。维氏曲线和Batchelor-Shaw曲线在入口区域的背压，严重的能量损失，出口速度的不均匀性。改良的三次曲线流动不均匀性有所改良。五次曲线展现了较低的湍流等级，在能量损耗和稳定性方面有较大优势。
关键词：风洞收缩曲线设计、流体力学仿真、流动
零、导言
风洞是一种重要的流体力学研究实验装置，其中收缩段曲线的设计在风洞总体设计中占据了关键的地位。良好的收缩段能够提高测试段流动质量，减少测试段湍流度，增加速度的均匀性和稳定性。其性能主要取决于：1、收缩比，2、收缩曲线。
一、几种类型的收缩曲线
根据国内外风洞总体设计和建设的经验，收缩曲线主要包括：前苏联维氏曲线，美国Batchelor-Shaw曲线，双三次曲线，优化三次曲线（Xm=0.5），五次曲线（Xm=0.5，n=7），上述的五种曲线如图1所示：
图1 几种收缩曲线
如图1，维氏曲线入口收缩快速，出口段较平坦，Batchelor-Shaw曲线和维氏曲线形状相近，所以他们的流动性能也类似。其他几种曲线进口较为平缓。优化三次曲线
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