内嵌射流主动降噪技术发展潜力巨大

图1 V型锯齿喷口（左）和波纹密封喷口（右）

电脑模拟内嵌射流

超声速喷流噪声正逐渐成为军用和民用航空发动机领域不可忽视的难题。民用方面，飞机外部噪声适航符合性是民机设计过程中的重要环节，由美国主导的未来超声速民机研发计划已经将低涵道比涡扇发动机起降阶段的超声速喷流噪声控制列为关键技术之一，美国联邦航空管理局（FAA）与国际民航组织（ICAO）正积极开展合作修订超声速民机适航条例以规范对民用低涵道比涡扇发动机的噪声限制。军用方面，超声速战机的噪声逐渐得到重视，除了声隐身对未来战机生存力提出更高要求，超声速喷流造成的恶劣噪声环境对飞行员、航母地勤人员、基地地面设备及基地周边居民均有极大危害，噪声污染问题日益突出。

V型锯齿喷口和波纹密封等被动噪声控制技术发展相对成熟，但存在重要缺陷

针对喷流噪声控制技术的研究近年来取得了长足发展。例如，在发动机尾缘处采用的V型锯齿喷口技术（主要用于降低大涵道比涡扇发动机亚声速喷流湍流混合噪声）已经较为成熟，并已经应用到波音787飞机的设计中。喷管波纹密封（Corrugated Seals）技术（主要用于低涵道比涡扇发动机超声速喷流降噪）可以明显减小湍流混合噪声与宽带激波噪声。但是，上述结构形式固定的被动型噪声控制技术存在一个重要缺陷，即特殊的尾喷口构型会导致推力下降，从而降低发动机的工作性能，在喷流噪声不需要重点关注（如巡航状态）的时间段内，采用此类技术的代价很大。与被动噪声控制相比，主动噪声控制手段则可以灵活的控制施加时机，最大程度地避免对发动机性能的影响。

内嵌射流主动降噪技术发展迅速，潜力巨大

内嵌射流（Fluidic Insert）是一种新兴的超声速喷流主动降噪概念，在发动机喷管的扩张段喷入二次流（图2）。一方面内嵌射流引入流向涡，打碎喷流中大尺度涡结构，进而减少湍流混合噪声；另一方面，内嵌射流改变了发动机喷管出口与喉部的有效面积比，通过改变激波结构来减小宽带激波噪声。内嵌射流的作用与波纹密封类似，对湍流混合噪声和宽带激波噪声都有很好的削弱效果。研究表明，内嵌射流所需注入的质量流较小，控制效率较高，在5%主喷流流量之下就可以达到较好的降噪效果。

宾夕法尼亚州立大学研究团队针对内嵌射流方法开展了探索性研究。首先通过机理实验初步验证了内嵌射流降低超声速喷流噪声的可行性。实验中，内嵌射流压比IPR（内嵌喷口总压和大气压之比）低于主喷流压比，结果使湍流混合噪声和宽带激波噪声分别降低了4dB与2dB。另外，对波纹密封和内嵌射流两种技术对喷流流场的影响进行了对比，发现波纹密封的流向涡产生在褶皱的拐角处，而内嵌射流的流向涡产生在流体褶皱区域的内部。其次，对内嵌射流系统的射流压比、喷嘴直径、喷嘴数量和布局、槽道数目、安装位置、喷嘴组数等参数对超声速喷流噪声的影响开展大量对比实验研究，获得内嵌射流系统对喷流噪声的指向性及声压级等噪声特性的影响。

在数值模拟方面，针对设计马赫数1.65的过膨胀喷流进行了基于大涡模拟（LES）的气动噪声数值模拟，通过对计算结果的分析发现，施加的内嵌射流将激波单元结构变为小尺度结构，使宽带激波噪声强度降低至少1.5dB。之后进行了更接近真实工况的热流模拟，对冷、热喷流的计算结果进行对比，发现高温工质并没有改变激波单元的结构，却影响了喷流噪声辐射特征，最大噪声的传播方向从30度变为50度。

最近，该研究团队与GE公司合作进行了中等尺度发动机风洞模型（是小尺度模型的5倍大小）的内嵌喷流降噪实验，研究模型的缩比及雷诺数影响，发现中等尺度和小尺度模型均能够在峰值上降低至少4dB，也就证明了该项技术已经具备了对全尺度战斗机发动机降噪的潜力。

内嵌射流概念有望成为最具工程实用价值的航空发动机超声速喷流噪声控制技术，美国AIAA学会发布的2017年度全球气动声学技术进展中对该技术进行了报道，建议国内相关的研究机构对该项技术给予关注并适时开展相关研究工作。