小口徑膛口射流噪聲的數(shù)值模擬*

王 楊，姜孝海，楊緒普，郭則慶

(1.南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210094； 2.南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094； 3.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

槍炮噪聲廣泛存在于軍事和兵工部門，由于其突發(fā)性和特殊的物理性質(zhì)，對(duì)周圍人員、設(shè)備和環(huán)境都造成不同程度的危害和干擾。在槍械設(shè)計(jì)過程中，了解膛口噪聲特性，采用一定的計(jì)算方法預(yù)測(cè)膛口噪聲的大小，將膛口噪聲合理地控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)于優(yōu)化槍械性能有重要意義[1]。

膛口脈沖噪聲的聲源包括各種機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲，而后者是主要的。關(guān)于氣動(dòng)噪聲的研究已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。對(duì)氣動(dòng)噪聲研究的理論和方法對(duì)膛口脈沖噪聲研究有借鑒意義，為過去無法計(jì)算的復(fù)雜氣動(dòng)噪聲場(chǎng)提供了數(shù)值模擬的途徑。然而，與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)不同的是，膛口流場(chǎng)是多層沖擊波包圍的高瞬態(tài)、高度欠膨脹的非定常燃?xì)馍淞髁鲌?chǎng)。膛口噪聲具有強(qiáng)非線性和復(fù)雜的噪聲源，目前仍是膛口流場(chǎng)研究中最具挑戰(zhàn)性的問題之一。

目前有關(guān)膛口氣流噪聲的計(jì)算與預(yù)測(cè)方面的工作還比較少[2-5]。J.Bin[2]等利用CAA方法對(duì)7.62槍的復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值結(jié)果分析了膛口流場(chǎng)的復(fù)雜特征，研究了脈沖噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，認(rèn)為噪聲源有：火藥燃?xì)馇放蛎洺羲偕淞髟肼暋_擊波(激波)和湍流及它們與固體相互作用、彈丸飛行擾動(dòng)、武器機(jī)械沖擊等產(chǎn)生的噪聲等。 I.C.Lee等[3]對(duì)忽略彈丸影響的高壓條件下的噪聲場(chǎng)進(jìn)行了研究，近場(chǎng)采用CFD中的Roe格式及二階中心差分格式進(jìn)行數(shù)值模擬，遠(yuǎn)場(chǎng)采用CAA方法進(jìn)行模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，討論了包含和不包含消音器2種噪聲場(chǎng)的特征。H.Rehman等[4]對(duì)某坦克炮在發(fā)射過程中產(chǎn)生的高壓脈沖噪聲進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了消聲器的降噪效果。S.M.Liang等[5]對(duì)單激波穿過排氣管引起的聲學(xué)問題進(jìn)行了分析，詳細(xì)研究了排氣管內(nèi)部和下游方向的噪聲形成機(jī)理。

由于膛口脈沖噪聲的復(fù)雜性，膛口射流是膛口噪聲的重要聲源，本文中對(duì)膛口噪聲問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，只對(duì)膛口射流噪聲開展初步的研究，即首先采用CFD中的LES計(jì)算近膛口流場(chǎng)，然后采用FW-H方程計(jì)算射流中遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲。

1 模型與求解方法

計(jì)算模型如圖1所示，身管長(zhǎng)為l、內(nèi)外直徑分別為d和D，左端面封閉，右端為槍口。管外流場(chǎng)為同軸的圓柱區(qū)域，直徑為L(zhǎng)2，長(zhǎng)為L(zhǎng)1。考慮到軸對(duì)稱性，計(jì)算時(shí)只包括圖1的上半部分。本算例取d=7.62 mm、D=11.4 mm、l=644 mm、L1=1 192 mm、L2=640 mm。

對(duì)所研究的問題，采用CAA中LES耦合FW-H方程的混合方法，即：利用可壓縮大渦模擬求解膛口近場(chǎng)部分，其中的亞格子尺度應(yīng)力的求解采用Smagorinsky-Lilly模型[6]，再應(yīng)用聲類比方程FW-H[7-9]計(jì)算流動(dòng)所誘發(fā)的中遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)聲場(chǎng)。

圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of computational domain

2數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 驗(yàn)證算例

物理模型為Seiner&Ponton’s 噴管，給定噴管出口Ma=2，出口直徑9.144 cm，入口處溫度1 370 K，出口處的Re=106。圖2為距噴管管口3.66 m處的噪聲指向圖，其中曲線(CFD-CAA)為采用本文算法計(jì)算所得結(jié)果，圖中其余數(shù)據(jù)均來自Aleksey等[10]的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖2中可以看出：計(jì)算結(jié)果與其他結(jié)果的噪聲指向趨勢(shì)一致；與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好，誤差不超過5 dB。

圖2 噪聲指向圖Fig.2 Noise directivity diagram

2.2 膛口流場(chǎng)的數(shù)值模擬

為了更好地預(yù)測(cè)聲場(chǎng)，先對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到流場(chǎng)的整體特性，并為以后聲場(chǎng)預(yù)測(cè)中聲源面的選取提供參考。對(duì)圖1所示的二維模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格間距非均勻，在固壁處進(jìn)行加密處理，總的網(wǎng)格數(shù)為1 723 447。邊界條件包含固壁和外推邊界，即身管的內(nèi)外表面為固壁邊界，中心線為軸對(duì)稱邊界條件，其他邊界為外推邊界。

圖3為利用LES模擬方法計(jì)算所得膛口流場(chǎng)瞬時(shí)壓力分布圖，圖中可以看出激波、壓縮波及渦的相互作用過程。高溫、高壓火藥燃?xì)馔蝗会尫牛谔磐庋杆倥蛎洠苿?dòng)周圍氣體形成火藥燃?xì)鉀_擊波和火藥燃?xì)馍淞鳎鐖D3(a)所示。在圖3(b)中，火藥燃?xì)饬鲌?chǎng)進(jìn)一步發(fā)展，形成包含射流邊界層、馬赫盤及其后的反射激波和切向間斷的射流結(jié)構(gòu)，其中剪切層、反射激波及切向間斷止于渦環(huán)。

圖3 膛口流場(chǎng)瞬時(shí)壓力分布Fig.3 Instantaneous pressure distribution

2.3 射流噪聲的數(shù)值計(jì)算

火藥燃?xì)馍淞魇歉咚矐B(tài)高壓非定常射流，經(jīng)歷了生長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰減期。由于在穩(wěn)定期，膛口壓力、密度等參量值變化不顯著，穩(wěn)定期的射流強(qiáng)度以及對(duì)流場(chǎng)發(fā)展的貢獻(xiàn)在整個(gè)射流發(fā)展階段內(nèi)應(yīng)不低于平均射流。因此，將穩(wěn)定期的射流狀態(tài)視為平均態(tài)，對(duì)火藥燃?xì)馍淞髯鞫ǔ；僭O(shè)。

圖4 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of computational domain

射流噪聲計(jì)算域如圖4所示，其中l(wèi)1=640 mm、l2=320 mm、l3=156.21 mm、l4=320 mm。計(jì)算域中聲源面取為半徑為l3、長(zhǎng)度為l2的圓柱面。網(wǎng)格的劃分采取非均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為1 989 863。采用的邊界條件為：遠(yuǎn)場(chǎng)為壓力出口，噴管表面為固壁邊界條件。

各測(cè)量點(diǎn)的位置如圖5所示，即：以管口中心點(diǎn)為圓心，半徑R取為1 m，射流下游方向?yàn)槠鹗挤较颍扛粢欢ǖ慕嵌热∫粋€(gè)測(cè)量點(diǎn)。

圖5 測(cè)量點(diǎn)位置Fig.5 Measurement points location

圖6 瞬時(shí)壓力分布圖Fig.6 Instantaneous pressure distribution

圖6為射流噪聲計(jì)算過程中得到的某瞬時(shí)流場(chǎng)壓力分布圖，此時(shí)流場(chǎng)計(jì)算進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，啟動(dòng)FW-H方程計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)處的聲壓。

利用流動(dòng)部分的數(shù)值計(jì)算結(jié)果作為聲源數(shù)據(jù)，計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)處聲壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行譜分析，可得到總聲壓級(jí)，由此繪制出噪聲指向圖。圖7為經(jīng)計(jì)算獲得的距槍口1 m處的噪聲指向圖，其中60°方向噪聲最大。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制的等聲壓級(jí)云圖如圖8所示。圖形呈蝴蝶型，最大總聲壓級(jí)出現(xiàn)在距膛口0.5～1 m、角度為30°～60°方向。隨著各測(cè)量點(diǎn)距膛口距離的增大，火藥燃?xì)馍淞鲝?qiáng)度降低，總聲壓級(jí)在減小。射流噪聲具有較強(qiáng)的指向性，總聲壓級(jí)與夾角呈非線性關(guān)系。在距槍口等距離的條件下，射流噪聲在與軸線成30°～60°夾角的范圍內(nèi)總聲壓級(jí)最強(qiáng)，可能的原因是此方向上激波/渦環(huán)、渦/渦之間的相互作用很強(qiáng)。另外由于在流場(chǎng)計(jì)算中沒有考慮運(yùn)動(dòng)彈丸，接收點(diǎn)處的聲壓會(huì)受影響。其他更深層次的原因還需做進(jìn)一步的研究。

圖7 距噴口1 m處的噪聲指向圖Fig.7 Noise directivity diagram

圖8 聲壓級(jí)云圖Fig.8 Contour of sound pressure level

3 結(jié) 論

采用CFD-CAA耦合算法對(duì)某7.62 mm槍的射流噪聲進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了射流噪聲的一些基本規(guī)律。根據(jù)數(shù)值結(jié)果分析了射流噪聲距噴口1 m處的指向性，并繪制了等聲壓級(jí)云圖。結(jié)果表明：(1)射流噪聲主要集中在近膛口處;(2)射流噪聲具有指向性,在距槍口等距離的前提下，射流噪聲在與軸線成30°～60°夾角的范圍內(nèi)總聲壓級(jí)最強(qiáng)。

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