建立流场与噪声分析工具接口，利用混合流场计算结果，通过仿真研究导流槽、发射塔架及导流槽出口噪声分布情况，分析冷却水降噪效果。

直径为D 的圆喷口形成的喷注如图5.142 所示。

图5.142　直径为D 的圆喷口形成的喷注

图5.142 是流体喷入静止空气时的情况，混合区中只有部分湍流现象，核心中的速度是常数，等于出口速度，核心长度大约是喷口直径的4.5 倍。混合区后面是过渡区，过渡区中处处充满湍流，但平均速度随长度增加而渐减，过渡区大致延伸到10 倍直径。以后就是充分发展区的喷注了。喷注噪声大部分是由混合区和过渡区内的湍流产生的。

1. 冲击射流噪声的特点

高温超声速射流与地面的相互作用经常出现在火箭发射以及飞行器垂直起降中。当使用亚声速或者低超声速冷射流作为研究对象时发现：射流与导流器之间的相互作用引起了噪声声压级的显著增加，这是由于射流冲击区域的壁面压力波动以及地面与喷管之间出现了反馈环。而恰恰相反的是，当火箭发动机射流冲击到各种不同型面的导流器上，辐射声能反而减少了，特别是当作用距离非常短的时候这种现象十分明显。在高温超声速射流中，宽带混合噪声的声压级非常高以至于可以覆盖掉离散单音，离散单音对总声压级（OASPL）的贡献就非常少了。射流平板的相互作用依赖于射流出口参数，因为对于冷射流来说有一个峰值，而对于热射流来说基本无影响。一般来说，当平板位于射流核心区顶点附近时，射流—平板相互作用噪声最大；但是当射流到平板的距离非常小时，在最低频段的噪声产生了衰减。实际上，并没有谁给出了冲击射流所辐射的声能的精确而全面的结果。Varnier 做了一系列试验对这个问题展开研究，得到在所选择的试验工况下，辐射声能几乎和障碍物形状以及喷管到障碍物的距离无关，而其中之一与本试验较为接近的试验结果发现冲击射流产生的噪声与自由射流噪声几乎一样。

2. 热射流噪声的特点

关于射流温度的作用，莱特希尔指出温度的不均一放大了紊流产生的声音，正像切应力影响了射流噪声的高频组分。根据莱特希尔所说，速度和温度的影响不能完全分开。对于平均速度是常数的射流来说，在一定条件下声级随着射流平均温度增加而增加，其他情况下温度增加声级反而下降。对于亚声速射流来说，当射流速度固定，射流温度增加减少了声能级。因此在射流速度确定的情况下，温度效应不确定。在适度加热和没加热的超声速射流中存在明显差异。OASPL 峰值随着温度增加而增加，辐射顶角随温度增加而减小，是对流马赫数增加的结果。冷热射流的谱含量完全不一样。在峰值频率和振幅上差别明显。

此外，通过喷水来降低冷射流的噪声早就得到验证，主要通过降低射流速度来实现。同样，往热射流中注水能够降低射流温度是显而易见的，但是，在降低射流温度的同时会导致射流密度增大，从而增大雷诺应力项ρu i uj 来增大噪声。Yann Marchesse 等通过研究发现，射流温度对降噪效果的影响不显著，而注水位置影响非常显著，但是他们同时也指出，由于射流温度是射流的重要参数，其变化会引起射流一系列重大物理特征的变化，因此通过注水降温来降噪的效果还需要进一步研究。

3. 噪声控制理论

对噪声的控制主要有三种方式：① 在声源处进行控制；② 在声音传播过程中进行控制；③ 在声音接收处进行控制。根据发射场的特点，我们主要通过喷水的方式在声源处进行噪声的控制。(www.daowen.com)

对冲击射流噪声的研究表明冲击射流产生的噪声有三种明显不同的噪声类型：湍流噪声、激波啸叫、宽频激波噪声。湍流噪声是影响声压级变化的主要因素，激波啸叫则主要影响了声压级的极值变化，宽频激波噪声在射流发展段起主要作用。

喷水降噪技术的应用可以减弱上述三种射流噪声，其主要机理是发动机射流段喷水使得射流速度和射流温度降低，从而达到降低噪声的目的。射流速度的降低是通过高速燃气与水的两相之间的动量转化来实现，射流温度的降低是由于高温燃气与水混合的过程中水汽化吸收能量实现的，同时在射流的速度和温度降低的过程中射流的密度增加。

在喷水降噪技术中几个重要的参数对于降噪效果有着重要的影响：喷水相对于燃气的流量比率、喷水位置、喷水角度、喷头的数量、喷水类型、水压、水温等。一个有效合理的喷水降噪系统需要对上述的各种参数根据实际情况进行合理的设计和计算。喷水试验表明相对于燃气射流，水的流量比率是一个最为重要的参数，试验表明水的流量比率在4 以上能够获得较好的降噪效果。将水喷到射流柱上将会形成一个新的附面层，在附面层内水将被高温气体汽化，由于动量的转化将使得附面层内的水、水蒸气随着射流一起向射流方向流动。附面层的薄厚直接对射流速度的大小产生影响，进而对噪声的抑制产生作用。附面层的薄厚与水的流量有着直接的关系，水量越大、流速越快使得水能够越深入地渗透到射流内部，所以水的流量越大，对噪声的抑制作用也将越明显。水温对降噪效果的影响也受到流量的控制，试验表明小流量低温水的降噪效果不是非常明显，小流量高温水由于水能够即时汽化将对射流的表面产生一定的作用，但是对于降噪效果也不是非常明显。喷水的方向、位置、角度、类型都会对降噪的效果产生一定的作用，但是水量的影响起决定性作用，在喷水量达到燃气流量的4 倍以上时，喷水的方向、位置等的优化对降噪效果产生积极的影响。

鉴于发射场的条件，水量、喷水位置、喷水方向等都将受到限制，所以，如何在发射场所能提供的条件下开展噪声控制研究是今后工作的重点。

1）研究工具

噪声分析工具LMS Virtual.Lab 能够预测声波的辐射、散射和传递，以及声学载荷引起的声学响应。可计算得到的结果包括声压、辐射功率、质点速度、声强、板块贡献量、能量密度、声−振灵敏度、纯模态、结构挠度等。

为了描述声学媒质，LMS Virtual.Lab 利用了最先进的数字方法。它基于直接和间接边界元方法，或者声学有限元/无限元的声学方程。结构本身用结构有限元模型表达，可以从所有主流结构有限元和网格生成工具导入。所有分析模块都集成在核心环境中，支持多模型和三维图形。LMS Virtual.Lab 有强大的集成前、后处理功能，有网格检查和修正工具。后处理可以画彩图、矢量场、变形后的结构，以及XY 图线、柱状图和极坐标图，还包括动画显示和声音回放。

2）分析流程

针对不同的研究内容，依据图5.143 所示流程进行研究分析。在第一阶段，依据任务内容进行方案研究，对研究问题进行准确描述，包括明确任务目标、选择理论方法、构建分析平台、准备模型参数、模型与方法评估等；在第二阶段，依据确定的分析方法和模型参数，建立分析模型；在第三阶段，依据计算结果进行分析，并对模型方案进行改进和完善，获得优化设计结果。

对于本次仿真实例，由于模型复杂、噪声影响因素较多，进行仿真计算需要较长篇幅说明，因此本书不再引用仿真实例，此处仅对喷水降噪效果做简要说明。

图5.143　任务分析流程