超音速冲击射流中对流扰动与声学驻波的作用及其对共振噪声的影响机制研究

《Journal of Fluid Mechanics》：Role of convecting disturbances and acoustic standing waves in supersonic impinging jet

本刊推荐：针对超音速冲击射流共振产生的高噪声问题，研究人员通过高速纹影流动可视化与相位平均波图技术，系统研究了不同喷嘴压力比（NPR）和冲击距离（H/D）条件下剪切层扰动对流速度（Cst）与声学驻波的相互作用。研究发现冲击音调频率（fimpinging）除舞台化行为（staging）外基本独立于扰动对流速度，并基于声学驻波观测提出了以声速为基础的频率预测模型，为短距起降飞行器（STOVL）的降噪设计提供了重要理论依据。

　　

当超音速射流冲击地面时，会产生高度不稳定的剪切层和极强的噪声，这种现象在短距起降垂直着陆（STOVL）飞行器中尤为突出。强烈的共振不仅导致结构疲劳，还会增加吸入力并造成升力损失，严重影响飞行器性能和安全。尽管广泛接受的共振机制涉及下游传播的相干结构和上游传播的声波构成的反馈回路，但对扰动对流速度的系统研究仍因非侵入式测量的挑战而十分有限。为了深入理解这一物理过程，MyungJun Song、Serdar Seckin和Farrukh S. Alvi在《Journal of Fluid Mechanics》上发表了他们的最新研究成果，通过精细的实验和模型分析，揭示了对流扰动和声学驻波在超音速冲击射流中的关键作用。

研究人员采用马赫数1.5的喷嘴，在不同喷嘴压力比（NPR）和冲击距离（H/D）条件下，利用高速纹影流动可视化技术获取流动图像，并通过相位分箱平均方法构建了相位平均波图，以精确测量剪切层扰动的对流速度。同时，结合声学测量，分析了冲击音调频率的变化规律。基于声学驻波的观测，提出了以声速为基础的频率模型，并结合涡片模型（vortex-sheet model）计算了允许的频率范围，从而能够较好地预测轴对称冲击音调频率。

关键技术方法包括：使用高速纹影系统（31 kHz采样率）进行流动可视化，通过相位分箱平均处理图像以构建波图；采用传声器测量声学信号并获得冲击音调频率；利用动态模式分解（DMD）和谱本征正交分解（SPOD）等模态分解方法分析流动结构；通过涡片模型计算中性波的频散关系以确定允许的频率范围。所有实验在佛罗里达州立大学的先进航空推进中心完成，使用压缩空气供应，驻室温度控制在288±5 K。

3. Effect of NPR on impingement tone frequency

研究发现，尽管NPR的变化会改变扰动对流速度，但冲击音调频率在很大范围内保持几乎恒定（除非发生舞台化行为）。通过参数分析表明，相位超前/滞后（P）会随对流速度变化而调整，从而抵消频率变化，维持频率稳定。

4. Effect of impingement distance on convection velocity and relation among convection velocity and resonance properties

冲击距离的增加会提高扰动对流速度，但微喷流激活等外部条件也会显著改变对流速度。较大的相干结构通常对流速度较慢，但会产生更高的噪声水平（OASPL）。反射声波与相干结构到达壁射流边界的时间间隔越小，噪声水平越高。

5. Effect of the time interval between large-scale coherent structures and reflected acoustic waves

反射声波与相干结构的同时到达会增强新产生的声波强度，从而提高整体噪声。时间间隔的归一化分析表明，间隔接近零时OASPL最大，说明声波反射和相干结构的相互作用对共振强度有重要影响。

6. Standing waves and acoustic speed-based frequency model

声学驻波在升力板和壁射流边界之间形成，其波瓣数量对应于声波往返所需的周期数（N_a）。基于声速的频率模型（f = C_a / [2(H + L_gap) / (N_a + P_a)]）能够较好地预测冲击音调频率，且与涡片模型计算的允许频率范围（A2和A3频带）吻合良好。

研究结论表明，超音速冲击射流的共振频率主要受声学驻波控制，而非扰动对流速度。声速模型结合涡片模型能有效预测轴对称模式的冲击音调，为STOVL应用中的噪声控制提供了新思路。此外，反射声波与相干结构的相互作用时间对噪声水平有显著影响，未来需进一步探索其强化机制。该研究不仅深化了对冲击射流物理过程的理解，也为主动流动控制策略（如微喷流）的设计提供了重要依据。