一种发动机喷流声效率影响因子确定方法及装置与流程

1.本发明属于运载火箭领域，涉及一种发动机喷流声效率影响因子确定方法及装置。


背景技术：

2.运载火箭点火起飞时，发动机的喷流排气噪声和由地面反射噪声作用于火箭结构所引起的喷流噪声环境。起飞喷流噪声具有一定随机性，声压频带从10hz到20khz，会引起火箭结构和有效载荷的中高频动力学环境，引起的响应频率范围从20hz到2000hz，严重时可能造成结构破坏或是仪器设备的故障，导致飞行任务的失败。因此喷流噪声环境预示是制定火箭噪声环境试验条件的重要依据。
3.精确的火箭发动机喷流噪声的仿真预示需要借助计算流体力学，通过建立完整的流场和火箭结构模型，计算结构表面的压力再经过换算得到不同结构表面由于发动机喷流噪声所引起的噪声声压级谱，但是计算流体力学的计算成本大，尤其是对于涉及捆绑火箭结构和导流槽等较为复杂流场的计算，计算流体力学的效率对于工程来说更是不可接受，且精度也无法保证，因此对于火箭喷流噪声的预示来说更加可行的方法还是工程预示方法。
4.美国nasa根据发动机噪声理论和对大量历史试验数据观察、总结，形成了用于预示发动机喷流噪声环境工程预示方法。喷流噪声工程预示方法中考虑了各项参数对喷流噪声的影响，包括：发动机个数、离发动机喷口距离、与喷流方向的角度、发动机喷口的几何特性、发动机喷流速度、发动机推力等，因此对工程应用具有相当的实用价值。计算喷流噪声总功率是喷流噪声预示的第一步，对于大型火箭，发动机喷流噪声的总功率值可以用发动机总的机械功率通过以下公式来估计
5.lwindb(ref:10-12
watt)＝120+10log
10
(αfve)
6.其中f是火箭发动机的推力；ve是发动机出口喷流速度；α是声效率影响因子。
7.声效率影响因子是发动机总声功率和发动机总机械功率的比值。在由上式计算喷流噪声总声功率级时，需要根据火箭发动机的总机械功率来乘以声学系数来确定发动机的总声功率。美国nasa根据大量的火箭发动机的试车试验数据得到了喷流总声功率级与发动机功率之间的关系。保守估计，对于一般液体火箭发动机而言声学系数参考取值为0.5％，上限可以取1％。由于声效率影响因子的选取带有很强的经验色彩，因此在实际应用中需要结合试验数据不断改进。
8.工程预示方法计算量小、思路清晰，但是很多参数选取凭借经验，同时当前文献中经验参数基本基于国外的发动机参数。因此，确定一种喷流声效率影响因子参数获取方法，获取基于国内发动机的相关经验参数，才能将工程快速预示方法更好地应用于我国各型号火箭的喷流噪声环境预示中去。


技术实现要素：

9.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种发动机喷流声效率影响因子确定方法及装置，用来确定各类发动机的喷流声效率影响因子，便于后续喷流噪声工程预示方法的精确应用。
10.本发明解决技术的方案是：一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，包括以下步骤：
11.步骤1、获取发动机总机械功率wj；
12.步骤2、发动机试车时布置n个声压级测点，测点距发动机喷口的距离大于预设距离，记录每个测点距发动机喷口的距离ri，测量得到每个测点位置的声压级li，其中i表示第i个测点；
13.步骤3、根据ri、li，计算每个测点的声功率谱；
14.步骤4、根据每个测点的声功率谱，计算每个测点对应的总声功率；
15.步骤5、根据每个测点对应的总声功率、总机械功率wj，计算每个测点对应的声效率影响因子，获得n个声效率影响因子；
16.步骤6、对n个声效率影响因子取均值，作为发动机喷流声效率影响因子。
17.进一步的，步骤1所述获取发动机总机械功率，包括：
18.wj＝fve19.其中，wj是发动机总机械功率，f是发动机的推力；ve是发动机出口喷流速度。
20.进一步的，当发动机为固体发动机，且考虑固体颗粒影响时，通过在燃烧室入口添加喷流颗粒相，计算得到含有颗粒影响的发动机的推力f、发动机出口喷流速度ve，并获得发动机总机械功率wj。
21.进一步的，步骤2发动机试车时布置的声压级测点数量n≥2。
22.进一步的，步骤2所述声压级测点为点声源传播。
23.进一步的，步骤3所述计算每个测点的声功率谱，根据下式确定：
24.l
wi
＝11+li+20lgri25.其中，l
wi
表示第i个测点的声功率谱。
26.进一步的，步骤4所述计算每个测点对应的总声功率，根据下式确定：
[0027][0028]
其中，w
si
表示第i个测点对应的总声功率。
[0029]
进一步的，步骤5所述计算每个测点对应的声效率影响因子，根据下式确定：
[0030]
αi＝w
si
/wj[0031]
其中，αi表示第i个测点对应的声效率影响因子。
[0032]
进一步的，提供一种发动机喷流声效率影响因子确定装置，包括：
[0033]
发动机总机械功率获取模块：用于根据发动机的推力f、发动机出口喷流速度ve获取发动机总机械功率wj；
[0034]
声功率谱获取模块：用于根据发动机试车时布置的n个声压级测点中每个测点距发动机喷口的距离ri以及每个测点位置的声压级li，获取每个测点的声功率谱l
wi
；
[0035]
总声功率获取模块：用于根据每个测点的声功率谱l
wi
获取每个测点对应的总声功
率w
si
；
[0036]
声效率影响因子获取模块：用于根据每个测点对应的总声功率w
si
、发动机总机械功率wj计算每个测点对应的声效率影响因子αi；
[0037]
声效率影响因子取均值模块：用于对声效率影响因子取均值，得到发动机喷流声效率影响因子。
[0038]
进一步的，发动机总机械功率获取模块：根据wj＝fve获取发动机总机械功率wj；
[0039]
声功率谱获取模块：根据l
wi
＝11+li+20lgri获取每个测点的声功率谱；
[0040]
总声功率获取模块：根据获取每个测点对应的总声功率；
[0041]
声效率影响因子获取模块：根据αi＝w
si
/wj获取每个测点对应的声效率影响因子。
[0042]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0043]
本发明设计了一种发动机喷流声效率影响因子的获取流程，通过在发动机试车时设计近似点声源传播的多个声压级测点，利用测量的距离参数和声压级，推导出声功率谱的计算公式，进而能够直接计算测点对应的总声功率和声效率影响因子。克服了声效率影响因子在选取时带有很强的经验性、缺少国内发动机参数的不足，能够用来确定各类发动机的喷流声效率影响因子，提高喷流噪声工程预示的精度。
附图说明
[0044]
图1为本发明实施例发动机喷流声效率影响因子确定方法的流程图；
[0045]
图2为本发明实施例发动机试车时声压测点示意图；
[0046]
图3为本发明实施例固体发动机试车流场分布特性；
[0047]
图4为本发明实施例考虑固体颗粒影响的固体发动机试车时声压测点示意图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
[0049]
实施例1
[0050]
如图1所示，对于各类发动机，本发明的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法包括以下步骤：
[0051]
步骤1，获取发动机总机械功率，包括发动机的推力和发动机出口喷流速度，发动机总机械功率wj＝fve，其中f是火箭发动机的推力；ve是发动机出口喷流速度。本实施例以某发动机为例，具体实施步骤如下：根据发动机性能参数，获得发动机推力1200000n、出口喷流速度2942m/s，计算wj＝fve＝3.53*109w。
[0052]
步骤2，发动机试车时布置一定数量声压级测点，记录每个测点距发动机喷口3的距离ri、测量得到每个测点位置的声压级li。具体实施步骤如下：发动机试车时布置2个测点，考虑测点相对发动机喷口3尽可能远，形成点声源传播效应，布置的2个测点如图2所示。测点1距离发动机喷口3的r1＝34m，测点2距离发动机喷口3的r2＝46m。发动机试车时测量得到测点1总声压级l1＝130db、测量得到测点2总声压级l2＝128db。
[0053]
步骤3，根据l
wi
＝11+li+20lgri，计算每个测点的声功率谱。具体实施步骤如下：根据r1＝34m、l1＝130db，计算得到l
w1
＝171.63db。根据r2＝46m、l2＝128db，计算得到l
w2
＝172.26db。
[0054]
步骤4，根据计算每个测点对应的总声功率。具体实施步骤如下：根据l
w1
＝171.63db，计算得到w
s1
＝145531.8w。根据l
w2
＝172.26db，计算得到w
s2
＝168079.9w。
[0055]
步骤5，根据αi＝w
si
/wj，计算每个测点对应的声效率影响因子。具体实施步骤如下：根据w
s1
＝145531.8w、wj＝3.53*109w，计算得到α1＝4.12225e-05。根据w
s2
＝168079.9w、wj＝3.53*109w，计算得到α2＝4.76093e-05。
[0056]
步骤6，对步骤5获得的声效率影响因子多个声效率影响因子取均值，作为本发动机的声效率影响因子。具体实施步骤如下：对步骤5获得的α1＝4.12225e-05和α2＝4.76093e-05取均值，得到α＝4.44159e-05。即本例中该发动机的声效率影响因子为4.44159e-05。
[0057]
实施例2
[0058]
对于考虑固体颗粒影响的固体发动机，提供一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，包括以下步骤：
[0059]
步骤1，通过仿真获取考虑固体颗粒影响的固体发动机推力f和出口喷流速度ve，计算固体发动机总机械功率wj＝fve，其中f是固体发动机的推力；ve是固体发动机出口喷流速度。具体实施步骤如下：在喷流计算过程中，根据颗粒分布特性，在燃烧室入口添加喷流颗粒相，计算得到含有颗粒影响的出口喷流速度分布和推力。某固体发动机考虑固体颗粒后，流场分布特性如图3所示。计算得到出口喷流速度2500m/s、发动机推力1267000n，计算wj＝fve＝3.17*109w。
[0060]
步骤2，固体发动机试车时布置一定数量声压级测点，记录每个测点距发动机喷口距离ri、测量得到每个测点位置的声压级li。具体实施步骤如下：固体发动机试车时布置2个测点，考虑测点相对发动机喷口尽可能远，形成点声源传播效应，布置的2个测点如图4所示。测点1距离发动机喷口r1＝2m，测点2距离发动机喷口r2＝6.1m。发动机试车时测量得到测点1总声压级l1＝166.5db、测量得到测点2总声压级l2＝155.6db。
[0061]
步骤3，根据l
wi
＝11+li+20lgri，计算每个测点的声功率谱。具体实施步骤如下：根据r1＝2m、l1＝166.5db，计算得到l
w1
＝183.5db。根据r2＝6.1m、l2＝155.6db，计算得到l
w2
＝182.3db。
[0062]
步骤4，根据计算每个测点对应的总声功率。具体实施步骤如下：根据l
w1
＝183.5db，计算得到w
s1
＝2249365w。根据l
w2
＝182.3db，计算得到w
s2
＝1700825w。
[0063]
步骤5，根据αi＝w
si
/wj，计算每个测点对应的声效率系数。具体实施步骤如下：根据w
s1
＝2249365w、wj＝3.17*109w，计算得到α1＝7.1e-04。根据w
s2
＝1700825w、wj＝3.17*109w，计算得到α2＝5.4e-04。
[0064]
步骤6，对步骤5获得的声效率系数多个声效率系数取均值，作为本发动机的声效率系数。具体实施步骤如下：对步骤5获得的α1＝7.1e-04和α2＝5.4e-04取均值，得到α＝6.25e-04，即本例中该发动机的声效率系数为6.25e-04。
[0065]
本发明的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，已成功应用于新一代液体火箭、固液捆绑火箭研制中，为喷流噪声工程预示提供了精确的经验参数。喷流噪声预示值与实测误差小于3db，满足工程研制需求。
[0066]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取发动机总机械功率w
j
；步骤2、发动机试车时布置n个声压级测点，测点距发动机喷口的距离大于预设距离，记录每个测点距发动机喷口的距离r
i
，测量得到每个测点位置的声压级l
i
，其中i表示第i个测点；步骤3、根据r
i
、l
i
，计算每个测点的声功率谱；步骤4、根据每个测点的声功率谱，计算每个测点对应的总声功率；步骤5、根据每个测点对应的总声功率、总机械功率w
j
，计算每个测点对应的声效率影响因子，获得n个声效率影响因子；步骤6、对n个声效率影响因子取均值，作为发动机喷流声效率影响因子。2.根据权利要求1所述的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，其特征在于，步骤1所述获取发动机总机械功率，包括：w
j
＝fv
e
其中，w
j
是发动机总机械功率，f是发动机的推力；v
e
是发动机出口喷流速度。3.根据权利要求2所述的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，其特征在于，当发动机为固体发动机，且考虑固体颗粒影响时，通过在燃烧室入口添加喷流颗粒相，计算得到含有颗粒影响的发动机的推力f、发动机出口喷流速度v
e
，并获得发动机总机械功率w
j
。4.根据权利要求1所述的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，其特征在于，步骤2发动机试车时布置的声压级测点数量n≥2。5.根据权利要求1所述的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，其特征在于，步骤2所述声压级测点为点声源传播。6.根据权利要求1所述的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，其特征在于，步骤3所述计算每个测点的声功率谱，根据下式确定：l
wi
＝11+l
i
+20lgr
i
其中，l
wi
表示第i个测点的声功率谱。7.根据权利要求6所述的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，其特征在于，步骤4所述计算每个测点对应的总声功率，根据下式确定：其中，w
si
表示第i个测点对应的总声功率。8.根据权利要求7所述的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，其特征在于，步骤5所述计算每个测点对应的声效率影响因子，根据下式确定：α
i
＝w
si
/w
j
其中，α
i
表示第i个测点对应的声效率影响因子。9.一种发动机喷流声效率影响因子确定装置，其特征在于，包括：发动机总机械功率获取模块：用于根据发动机的推力f、发动机出口喷流速度v
e
获取发动机总机械功率w
j
；声功率谱获取模块：用于根据发动机试车时布置的n个声压级测点中每个测点距发动机喷口的距离r
i
以及每个测点位置的声压级l
i
，获取每个测点的声功率谱l
wi
；
总声功率获取模块：用于根据每个测点的声功率谱l
wi
获取每个测点对应的总声功率w
si
；声效率影响因子获取模块：用于根据每个测点对应的总声功率w
si
、发动机总机械功率w
j
计算每个测点对应的声效率影响因子α
i
；声效率影响因子取均值模块：用于对声效率影响因子取均值，得到发动机喷流声效率影响因子。10.根据权利要求9所述的一种发动机喷流声效率影响因子确定装置，其特征在于，发动机总机械功率获取模块：根据w
j
＝fv
e
获取发动机总机械功率w
j
；声功率谱获取模块：根据l
wi
＝11+l
i
+20lgr
i
获取每个测点的声功率谱；总声功率获取模块：根据获取每个测点对应的总声功率；声效率影响因子获取模块：根据α
i
＝w
si
/w
j
获取每个测点对应的声效率影响因子。

技术总结
本发明公开了一种发动机喷流声效率影响因子确定方法及装置，包括发动机总机械功率计算；发动机试车时布置一定数量声压级测点，对每个测点进行基于发动机试车的声压级测量和总声功率计算；根据发动机总声功率和发动机总机械功率的比值，确定每个测点声效率影响因子；对多个声效率影响因子取均值，作为本发动机的声效率影响因子。本发明的一种发动机喷流声效率影响因子确定方法，可确定各类发动机的喷流声效率影响因子，为后续精确应用喷流噪声工程预示方法、新型号喷流噪声快速预示提供支撑。撑。撑。


技术研发人员：胡迪科 赵玉震 徐腾 于格 史韶莉 宁国富 宋攀 张亮
受保护的技术使用者：上海宇航系统工程研究所
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/6/7