反旋流向涡的涡声机理及翼型/叶片仿生降噪方法研究

The aeroacoustic mechanisms underlying the “silent flight” of owls have important implications to the innovations of quiet aircraft and aeroengine technologies. This proposal aims at developing a novel bio-inspired noise control method for both the noise problems of isolated airfoil and rotor-stator blades interaction. Different from the methods directly imitating the serrated edges of the owl wings, the main idea is that the unsteady vortices in the boundary layer are reorganized by means of micro vortex generators, such that they are shed from the trailing edge in the pattern of contra-rotating vortices. The vortex reorganization has two potential benefits: 1) suppressing the vortex-induced fluctuating force on the airfoil, and 2) reducing the mean velocity deficit in the wake of the upstream blade and thus the unsteady impingement of the wake upon the downstream blade in relative motion with the upstream one. We first propose to carry out a comparison between a serrated trailing edge modification, whose mechanism is still unclear, and the corresponding straight trailing edge airfoil with micro vortex generators, in order to evaluate whether the dominant effect of the serrations is altering the acoustic diffraction or the hydrodynamic flow at the trailing edge. A detailed description is presented of the numerical and experimental methods that are employed to fully explore this new idea, and to gain understandings into the mechanisms of contra-rotating vortices at the trailing edge that are particularly in relevant to the study of vortex sound theory.

深入探索自然界“安静飞行”的气动声学机理对于航空降噪技术突破当前瓶颈具有十分重要的意义。本项申请旨在通过机理研究，针对外流中孤立翼型和内流中动/静干涉噪声问题，发展一种新的不直接模仿鹰类生物结构的仿生降噪方法。其主要思想是利用涡发生器对边界层涡结构进行调控，在翼型/叶片尾缘生成反旋流向涡的特殊形态。这将提供两方面可能性：一是降低翼型上涡诱导的脉动力声源，二是使上游叶片尾迹得到抑制，减小其对下游叶片的非定常冲击。另外，针对目前锯齿尾缘机理不清的问题，提出了一种与以往不同的研究策略，将使用涡发生器的直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型进行对比，以探明锯齿的作用主要在于抑制声衍射还是流动调控。根据研究需要，将建立一种涡声预测模型，由浸入式边界大涡模拟方法和声扰动方程分别进行流场和声场计算。在实验上将采用PIV技术测量流场，并开展精确的声学测量。拟开展研究也有助于涡声理论对于流动内部涡发声细节的深入探讨。

近二十多年以来，民机降噪技术一直面临发展瓶颈，这方面的迫切需求极大促进了国内外仿生降噪方法的研究。本项目提出的方法不是直接模仿自然界的生物结构，而是以微小型涡发生器产生反旋流向涡，对绕流体的流动进行重新组织，从而达到降噪的效果。.在理论模型方面，提出和发展了一种结合离散涡方法（Discrete Vortex Method）和声扰动方程（Acoustic Perturbation Equation）的DVM-APE时域混合模型，可定量预测物体绕流中大尺度相干涡结构产生的气动噪声。DVM-APE模型对平板尾缘脱落涡噪声的预测结果与已有实验吻合，并揭示了噪声强度与来流马赫数的5.5次方成正比、与平板厚度呈线性依赖关系的规律。这一模型为研究如何采用反旋流向涡发生器控制尾缘噪声提供了思路。.在实验研究方面，设计、建造了一种新式闭口透声风洞，有效降低了传统开式风洞由射流剪切层带来的额外背景噪声，为开展仿生降噪方法研究提供了可靠的实验平台。首先，考虑到以往大多实验是在零攻角下测量齿形尾缘的降噪效果，本次实验对不同攻角的影响进行了研究。结果表明，齿形尾缘在零攻角下能有效降低翼型宽频自噪声，这与已有研究一致；但是当有攻角时，齿形尾缘在多数工况下反而增加了翼型噪声，由此使我们看到了其局限性。为了深入研究本项目所提出方法的可行性和潜力，设计了多种不同尺度、不同参数的导叶式反旋流向涡发生器，针对圆柱和翼型绕流噪声开展了仿生降噪方案的实验研究。圆柱是典型的钝体；本项研究表明，亚边界层尺度的涡发生器比更大尺度的涡发生器效果更优，不管单侧还是双侧安装于分离点上游，都能几乎完全消除圆柱绕流的纯音噪声。同时在整个测量频率范围内，圆柱绕流噪声的宽频成分也得到了明显抑制。而对于翼型噪声来讲，在翼型尾缘上游双侧安装涡发生器同样几乎能完全消除中等雷诺数下的宽频组合纯音；对高雷诺数下的宽频尾缘噪声也有一定抑制效果。机理分析的结论是，在尾缘上游按一定分布生成反旋流向涡，能有效地破坏掉大尺度相干涡结构或者消除边界层不稳定波，这些都是造成离散纯音的源；同时也能降低流经尾缘的湍流涡结构的展向相关性，使得宽频噪声也得到抑制。