多孔尾缘叶片自噪声控制机理研究

Inspired by bionics, utilizing the porous material behaviors such as pressure release and sound absorption to modify the blade is another unique approach to reduce aerodynamic noise. Hence, it is of great significance to perform the in-depth and systematic studies for understanding the underlying mechanisms. Considering the real morphology feature, anisotropy and inhomogeneity of porous materials, the momentum model reasonably describing the coupling flow between inner, external and interfacial fluids will be developed. The computational aeroacoustics approach of ‘two-steps’ will be employed involving the URANS/FW-H integral method used to parametric study the effect of porous trailing edge (PTE) on flow-induce noise and the LES/Lighthill FEM differential method utilized to carefully investigate the underlying manipulation mechanism of PTE. By setting the acoustics impedance boundary condition, the effect of sound absorption of PTE on noise propagation will be clarified clearly. The unsteady flow field and sound will be measured as well through time-resolved PIV and microphone array respectively to provide data for simulation validation and together to reveal the crucial mechanism of material behavior of PTE on modifying flow and reducing aerodynamic noise. This project will contribute to the knowledge of understanding the PTE controlling noise and play the important role to advance the technique of passive porous flow control through initial concept design, mechanism study and final engineering application.

受仿生学启发，利用多孔材料的压力释放原理和吸声能力等材料行为来设计叶片是一种独特的降低尾缘气动噪声的途径，对其机理开展深入细致的研究具有重要意义。本项目考虑实际多孔材料形态特征、各向异性及不均匀性，建立合理描述多孔材料体内、外部以及界面耦合流动特性的模型；采用计算气动声学“两步法”, 以URANS/FW-H积分途径参数化研究多孔尾缘对流动噪声的影响规律，以LES/Lighthill有限元微分求解精细化研究其底层调控机理；通过在声场有限元计算中设置吸声阻抗边界探讨叶片尾缘材料吸声特性对声传播的影响；利用高速粒子成像测速仪（TR-PIV）和声麦克风阵列分别对非定常流场及声场进行测量提供验证数据，同时与模拟互补共同揭示叶片多孔尾缘材料行为调制流动降低气动噪声的关键作用机制。本项目研究将深化对多孔尾缘噪声控制机理的认识，对于促进多孔流控技术从概念设计到机理研究最终到达工程应用具有重要的推动作用。

叶片气动噪声的降低是叶轮机械整体气动噪声降低的基础，如何在不重新设计的基础上进行叶片气动噪声抑制具有重要的研究价值。多孔介质利用自身内部流动功能特性可产生调制流动和潜在的气动噪声降低作用。本项目通过计算与实验相结合对多孔材料控制流动和相关气动噪声开展深入系统的研究，以便充分理解流动、声源、声传播调控的机理，发展和补充现有的物理认识，为多孔被动流动控制设计提供理论基础推进其在工程上的应用。主要研究内容和结果有：（1）通过孔隙尺度数值模拟揭示泡沫金属多孔介质实现流动控制的微观机制，基于孔隙流动数据进行参数比拟关联，建立了泡沫金属多孔介质流动影响的微-宏观联系，拟补了传统颗粒Ergun模型表征的不精确性；利用多孔介质模型-CFD-CAA方法系统研究获得多孔材料参数、分布、布置范围与流动结构，噪声特性及气动性能之间的影响规律，特别是临界参数的定量化，为进一步实施多孔结构功能优化、轻量化设计积累了数据基础；（2）类比运动学弹簧阻尼振子方程推导多孔材料N-S方程，提出“气动弹簧阻尼振子模型”和“气动阻尼”的表达，理论揭示了该控制方式和渗透率、孔隙率以及速度幅值的密切关联，指出了多孔材料的协同双作用机制分别是渗透耗散和滑移速度；（3）设计了多孔尾缘叶片，通过实验和数值模拟揭示出叶片上下面压差推动渗流穿过叶表是该多孔叶片实现自身流动调控和噪声衰减的关键物理机制，同时给出了该多孔叶片的有效工作边界，为工程应用提供了依据；（4）通过人工函数实现多孔介质渗透率非均匀分布，相对于均匀分布具有大约3dB的总降噪潜力，证明了梯度优化以及功能设计的正确方向，提出的离散条带尾缘设计则增强了低噪声多孔尾缘在工程应用中的可行性；提出的多孔-锯齿复合多孔尾缘，研究发现其可显著降低流动展向相关尺度，使大尺度展向涡转变为流向涡，同时增大尾缘附近压力波动的相位差，降低尾缘对噪声的散射效率，从声源大小和边缘感受性两方面共同发挥显著的噪声抑制作用。