熵脉动产生声音的机理

在航空发动机、地面燃气轮机,以及火箭发动机的燃烧室中,燃烧产生的不稳定释热脉动会产生声音,这又被称为直接燃烧噪声。这声音以声波的形式在燃烧室中传播,被边界反射回来,然后进一步扰动燃烧产生更多声音:该反馈过程可能在燃烧室中形成巨大的压力脉动,进而严重影响燃烧室寿命,甚至导致其致命的损毁。不稳定燃烧可能同时产生流体的熵脉动,这在流体中表现为不可压缩(与压力脉动无关)的温度或者密度脉动。熵脉动在速度均匀的流动中被对流传播时不产生声音,但当被流动加速或者减速时(比如在航空发动机或者燃气轮机燃烧室出口的透平导叶之间,以及火箭发动机出口的喷管里)会产生声音。以这样的机理产生的声音被称为熵噪声,又叫间接燃烧噪声。熵噪声可能被反射回燃烧室,进而显著影响燃烧室内的热声不稳定,也可能透射出燃烧室出口,辐射到外界环境中,成为发动机射流噪声中的重要组成部分。对于熵噪声产生的机理,尽管早在大约50年前,Morfey (1973)以及Ffowcs Williams&Howe (1975)就通过拓展Lighthill的声类比理论(Lighthill 1952),建立了初步的理论模型,但严格推导这样的理论模型至今仍然很具挑战性。这主要是因为不均匀的流动对声音产生和传播的影响难以妥善地区分开,而当有流动分离和涡脱落的时候,这就变得尤其困难。严格理论模型的缺失导致熵噪声产生的机理一直很神秘而让人难以理解。在本文中,我们将基于Howe (1975)所发展的声类比理论模型,在存在流动分离和涡脱落的一般情况下,严格推导出一个全新的熵噪声产生机理的数学表达式。我们随后将该理论用于预测熵脉动流过一个突扩截面时所产生的噪声(突扩截面是有流动分离和涡脱落的典型工况)。通过与数值计算以及经典模型的对比,我们将展示新理论模型在系统地揭示熵噪声产生机理以及定量地预测熵噪声产生量方面的强大能力。