火箭高温高速喷流注水降噪数值计算与分析

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27122

流体力学与飞行力学

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火箭高温高速喷流注水降噪数值计算与分析

刘俊林¹^,², 徐希海³(), 张志成², 陈小前¹

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙　410073
^2.北京特种工程设计研究院，北京　100028
^3.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京　100191

收稿日期:2022-03-08 修回日期:2022-03-21 接受日期:2022-05-12 出版日期:2023-04-15 发布日期:2022-05-19
通讯作者: 徐希海 E-mail:xuxihai@buaa.edu.cn
基金资助:
国家级项目(ZRHT2020T05);国家自然科学基金(91952302);国家科技重大专项(J2019-II-0006-0026)

Simulation and analysis of noise reduction in high⁃temperature and high⁃speed rocket jet by water injection

Junlin LIU¹^,², Xihai XU³(), Zhicheng ZHANG², Xiaoqian CHEN¹

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 　410073，China
^2.Beijing Special Engineering Design and Research Institute，Beijing 　100028，China
^3.Research Institute of Aero?Engine，Beihang University，Beijing 　100191，China

Received:2022-03-08 Revised:2022-03-21 Accepted:2022-05-12 Online:2023-04-15 Published:2022-05-19
Contact: Xihai XU E-mail:xuxihai@buaa.edu.cn
Supported by:
National Level Project(ZRHT2020T05);National Natural Science Foundation of China(91952302);National Science and Technology Major Project(J2019-II-0006-0026)

摘要/Abstract

摘要：

以某火箭发动机缩比喷管为研究对象，针对火箭发射的典型工况，基于计算流体力学（CFD）及Mixture多相流模型分别开展了孤立火箭喷流与注水降噪条件下的平均流场数值计算。分析了注水条件下，水流对火箭喷流平均温度、压力、速度和湍动能场的影响，并在此基础上采用自主发展的基于RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）的喷流噪声预测程序，在分析火箭高温燃气喷流湍流混合噪声、宽带激波噪声频谱特性和指向性的基础上，研究了注水对火箭燃气喷流湍流混合噪声与宽带激波噪声在不同频率、不同观测位置的影响规律，为后续火箭起飞降噪方案的设计提供了技术基础。

关键词: 火箭, 喷流噪声, 注水降噪, 气动声学, 多相流

Abstract:

Based on Computational Fluid Dynamics （CFD） and the Mixture multiphase flow model， this study conducts numerical calculation of the average flow field under the conditions of an isolated rocket jet and water injection noise reduction. The influence of water flow on the average temperature， pressure， velocity and turbulent kinetic energy field of the rocket jet under the condition of water injection is analyzed. Reynolds Averaged Navier-Stokes（RANS） based jet noise prediction method is used to predict the spectrum and directivity of turbulent mixing noise and broadband shock noise from the jet with and without water injection. The effect of water injection on the turbulent mixing noise and broadband shock noise of the rocket gas jet at different frequencies and different observation positions is studied， providing a technical basis for the subsequent design of the rocket take-off noise reduction scheme.

Key words: rockets, jet noise, noise reduction by water injection, aeroacoustics, multiphase flow

中图分类号:

V411.6

刘俊林, 徐希海, 张志成, 陈小前. 火箭高温高速喷流注水降噪数值计算与分析[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 127122-127122.

Junlin LIU, Xihai XU, Zhicheng ZHANG, Xiaoqian CHEN. Simulation and analysis of noise reduction in high⁃temperature and high⁃speed rocket jet by water injection[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 127122-127122.

图/表 29

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表 2

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
喷管入口直径D_i/mm	50
喷管出口直径D_e/mm	67
喷管长度L/mm	200
喷管进口总压P^*/Pa	5.5×10⁶
喷管进口总温T^*/K	4 500

参数	数值
摩尔系数M/（g∙mol^-1）	28.526
定压比热容c_p /（kJ∙kg^-1∙K^-1）	1.557 53
定容比热容c_v /（kJ∙kg^-1∙K^-1）	1.263 04

参数	数值
注水管长度L₁/mm	112
注水管宽度L₂/mm	16
注水角度θ/（°）	30
注水速度U_l/（m∙s^-1）	20
注水密度ρ/（kg∙m^-3）	998.2
注水温度T_l/K	288

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