枪炮噪声广泛存在于军事和兵工部门, 由于其突发性和特殊的物理性质, 对周围人员、设备和环境都造成不同程度的危害和干扰。在枪械设计过程中, 了解膛口噪声特性, 采用一定的计算方法预测膛口噪声的大小, 将膛口噪声合理地控制在一定范围内, 对于优化枪械性能有重要意义^[1]。

膛口脉冲噪声的声源包括各种机械噪声和气动噪声, 而后者是主要的。关于气动噪声的研究已有半个多世纪的历史。对气动噪声研究的理论和方法对膛口脉冲噪声研究有借鉴意义, 为过去无法计算的复杂气动噪声场提供了数值模拟的途径。然而, 与喷气发动机和火箭发动机流场不同的是, 膛口流场是多层冲击波包围的高瞬态、高度欠膨胀的非定常燃气射流流场。膛口噪声具有强非线性和复杂的噪声源, 目前仍是膛口流场研究中最具挑战性的问题之一。

目前有关膛口气流噪声的计算与预测方面的工作还比较少^[2-5]。J.Bin^[2]等利用CAA方法对7.62枪的复杂流场进行了数值模拟, 根据数值结果分析了膛口流场的复杂特征, 研究了脉冲噪声的产生机理, 认为噪声源有:火药燃气欠膨胀超音速射流噪声、冲击波(激波)和湍流及它们与固体相互作用、弹丸飞行扰动、武器机械冲击等产生的噪声等。I.C.Lee等^[3]对忽略弹丸影响的高压条件下的噪声场进行了研究, 近场采用CFD中的Roe格式及二阶中心差分格式进行数值模拟, 远场采用CAA方法进行模拟, 根据计算结果, 讨论了包含和不包含消音器2种噪声场的特征。H.Rehman等^[4]对某坦克炮在发射过程中产生的高压脉冲噪声进行了数值研究, 分析了消声器的降噪效果。S.M.Liang等^[5]对单激波穿过排气管引起的声学问题进行了分析, 详细研究了排气管内部和下游方向的噪声形成机理。

由于膛口脉冲噪声的复杂性, 膛口射流是膛口噪声的重要声源, 本文中对膛口噪声问题进行简化, 只对膛口射流噪声开展初步的研究, 即首先采用CFD中的LES计算近膛口流场, 然后采用FW-H方程计算射流中远场噪声。

1.   模型与求解方法

计算模型如图 1所示, 身管长为l、内外直径分别为d和D, 左端面封闭, 右端为枪口。管外流场为同轴的圆柱区域, 直径为L₂, 长为L₁。考虑到轴对称性, 计算时只包括图 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。

图  1  计算区域示意图

Figure  1.  Schematic diagram of computational domain

下载: 全尺寸图片 幻灯片

对所研究的问题, 采用CAA中LES耦合FW-H方程的混合方法, 即:利用可压缩大涡模拟求解膛口近场部分, 其中的亚格子尺度应力的求解采用Smagorinsky-Lilly模型^[6], 再应用声类比方程FW-H^[7-9]计算流动所诱发的中远场气动声场。

2.   数值模拟与结果分析

2.1   验证算例

物理模型为Seiner & Ponton’s喷管, 给定喷管出口Ma=2, 出口直径9.144 cm, 入口处温度1 370 K, 出口处的Re=10⁶。图 2为距喷管管口3.66 m处的噪声指向图, 其中曲线(CFD-CAA)为采用本文算法计算所得结果, 图中其余数据均来自Aleksey等^[10]的计算结果和实验结果。从图 2中可以看出:计算结果与其他结果的噪声指向趋势一致; 与实验数据吻合得较好, 误差不超过5 dB。

图  2  噪声指向图

Figure  2.  Noise directivity diagram

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   膛口流场的数值模拟

为了更好地预测声场, 先对流场进行模拟, 得到流场的整体特性, 并为以后声场预测中声源面的选取提供参考。对图 1所示的二维模型划分网格, 网格间距非均匀, 在固壁处进行加密处理, 总的网格数为1 723 447。边界条件包含固壁和外推边界, 即身管的内外表面为固壁边界, 中心线为轴对称边界条件, 其他边界为外推边界。

图 3为利用LES模拟方法计算所得膛口流场瞬时压力分布图, 图中可以看出激波、压缩波及涡的相互作用过程。高温、高压火药燃气突然释放, 在膛外迅速膨胀, 推动周围气体形成火药燃气冲击波和火药燃气射流, 如图 3(a)所示。在图 3(b)中, 火药燃气流场进一步发展, 形成包含射流边界层、马赫盘及其后的反射激波和切向间断的射流结构, 其中剪切层、反射激波及切向间断止于涡环。

图  3  膛口流场瞬时压力分布

Figure  3.  Instantaneous pressure distribution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   射流噪声的数值计算

火药燃气射流是高瞬态高压非定常射流, 经历了生长期、稳定期和衰减期。由于在稳定期, 膛口压力、密度等参量值变化不显著, 稳定期的射流强度以及对流场发展的贡献在整个射流发展阶段内应不低于平均射流。因此, 将稳定期的射流状态视为平均态, 对火药燃气射流作定常化假设。

射流噪声计算域如图 4所示, 其中l₁=640 mm、l₂=320 mm、l₃=156.21 mm、l₄=320 mm。计算域中声源面取为半径为l₃、长度为l₂的圆柱面。网格的划分采取非均匀网格, 网格数为1 989 863。采用的边界条件为:远场为压力出口, 喷管表面为固壁边界条件。

图  4  计算区域示意图

Figure  4.  Schematic diagram of computational domain

下载: 全尺寸图片 幻灯片

各测量点的位置如图 5所示, 即:以管口中心点为圆心, 半径R取为1 m, 射流下游方向为起始方向, 每隔一定的角度取一个测量点。

图  5  测量点位置

Figure  5.  Measurement points location

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 6为射流噪声计算过程中得到的某瞬时流场压力分布图, 此时流场计算进入相对稳定状态, 启动FW-H方程计算各测量点处的声压。

图  6  瞬时压力分布图

Figure  6.  Instantaneous pressure distribution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

利用流动部分的数值计算结果作为声源数据, 计算各测量点处声压信号, 对其进行谱分析, 可得到总声压级, 由此绘制出噪声指向图。图 7为经计算获得的距枪口1 m处的噪声指向图, 其中60°方向噪声最大。

图  7  距喷口1 m处的噪声指向图

Figure  7.  Noise directivity diagram

下载: 全尺寸图片 幻灯片

根据计算结果绘制的等声压级云图如图 8所示。图形呈蝴蝶型, 最大总声压级出现在距膛口0.5~1 m、角度为30°~60°方向。随着各测量点距膛口距离的增大, 火药燃气射流强度降低, 总声压级在减小。射流噪声具有较强的指向性, 总声压级与夹角呈非线性关系。在距枪口等距离的条件下, 射流噪声在与轴线成30°~60°夹角的范围内总声压级最强, 可能的原因是此方向上激波/涡环、涡/涡之间的相互作用很强。另外由于在流场计算中没有考虑运动弹丸, 接收点处的声压会受影响。其他更深层次的原因还需做进一步的研究。

图  8  声压级云图

Figure  8.  Contour of sound pressure level

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   结论

采用CFD-CAA耦合算法对某7.62 mm枪的射流噪声进行了数值研究, 得到了射流噪声的一些基本规律。根据数值结果分析了射流噪声距喷口1 m处的指向性, 并绘制了等声压级云图。结果表明:(1)射流噪声主要集中在近膛口处; (2)射流噪声具有指向性, 在距枪口等距离的前提下, 射流噪声在与轴线成30°~60°夹角的范围内总声压级最强。