带仿鳍式尾缘结构有限长翼型的噪声特性及降噪实验研究

中低雷诺数下,翼型扰流时翼型尾缘与层流边界层相互作用会产生窄带高强度的纯音噪声,纯音噪声的频率与流速成指数关系,随流速升高呈“阶梯形”变化,该类型的纯音噪声也称为层流边界层不稳定噪声

。许多学者对翼型纯音噪声的产生机理进行了理论、数值和实验研究

。Paterson等

认为该类型噪声类似于涡脱落噪声,并提出了涡脱落模型。Tam等

首次提出可以解释该类纯音噪声频率“阶梯形”变化规律的声学反馈回路模型。后续大量研究结果表明

声学反馈回路模型可以更好地解释边界层不稳定噪声的产生机理:不稳定噪声的产生与翼型压力面和吸力面流动都有一定的关系,压力面为主要的反馈回路,吸力面为二次反馈回路

。前述的结论均来自于二维翼型或半无限长翼型模型实验研究,但是现实中许多工程应用壁面安装形式下的有限长翼型,例如安装在船体上的潜艇水翼、连接到轮毂或壁面的定子等。这类壁面安装形式下的有限长翼型绕流时,会在翼型与壁面连接处和翼型叶尖形成马蹄涡并随气流传播,使流场变得更复杂

。

经过上面的流程，可以得到有关相机虚拟运动轨迹（即每个相机的位置姿态），并且得到相对稀疏的点云，接下来需要对稀疏的点云进行稠密化，使用Yasutaka Furukawa等人提出的CMVS算法结合PMVS2算法[21]对目标物体进行稠密点云的重构，首先使用CMVS算法将输入图像分解为更容易处理的图像簇，使之能更好并行处理来减少稠密点云重建的时间，然后使用PMVS2多视角立体视觉算法得到目标的准确并密集的点云。PMVS2是一种基于面片的多视角立体视觉算法，算法大体上流程为特征点匹配，点云的扩展和点云的过滤，循环点云扩展和过滤过程三次得到最终的稠密化的点云。

2014年,Moreau等

对壁面安装形式下的有限长NACA0012翼型进行了实验研究,波束形成声源识别结果表明尾缘噪声是其主要噪声源,并随流速的增加噪声源向翼尖移动,随迎角的增大出现翼型与壁面连接处噪声,后续实验结果表明马蹄涡与翼型前缘相互作用产生翼型与壁面连接处噪声、翼型尾缘-叶尖附近的三维马蹄涡产生尾缘噪声

。2016年,Moreau等

指出壁面安装形式下的有限长翼型在非零迎角下不仅会产生宽带噪声而且会产生许多离散纯音噪声,并且相比于二维翼型,壁面安装形式下的有限长翼型会在更宽的雷诺数和迎角范围产生纯音噪声。此外,纯音噪声的产生与尾缘的转捩、分离和压力面的轻度分离流体区域有关,且分离流体区域和纯音噪声的产生位置随迎角的增大沿翼型尾缘向叶尖移动。2018年,Moreau等

研究了翼型弧度对壁面安装形式下的有限长翼型噪声的影响,结果表明0%～2%弧度的翼型会产生高幅值的主纯音噪声,而4%～6%弧度翼型的频谱则表现出显著的次级纯音特性,说明弧度是影响翼型纯音噪声产生工况、数量和强度的重要参数。

综上可知翼型会产生高强度纯音噪声,且壁面安装形式下的有限长翼型产生纯音噪声的工况范围更宽,因此有必要对壁面安装形式下的有限长翼型进行降噪研究。国内外开展了很多翼型/叶片降噪研究,典型的降噪手段包括波浪状前缘

、锯齿尾缘

、多孔介质

、仿鳍式尾缘

等。陈伟杰等

分别采用波浪状前缘、锯齿尾缘有效降低了NACA0012翼型的不稳定纯音噪声,在大迎角状态下,尾缘锯齿会减弱甚至完全抑制不稳定噪声,降噪量高达40 dB。Chong

也发现尾缘锯齿可以降低翼型纯音噪声达20 dB。研究结果表明,波浪状前缘和锯齿尾缘(尤其是切割式锯齿尾缘)会降低翼型的气动性能,这可能会限制其工程应用范围

。为降低翼型的噪声,同时不显著改变翼型的气动性能,Clark等

提出了仿鳍式尾缘结构,并研究了其对翼型的降噪效果,实验结果表明,仿鳍式尾缘结构可以降低尾缘噪声多达10 dB。Shi等

则通过数值模拟研究了仿鳍式尾缘结构对翼型流场的影响以及降噪机理,研究表明仿鳍式尾缘结构可以显著降低尾缘附近涡的展向相关长度,并降低壁面附近的湍动能。

众多研究表明,仿鳍式尾缘结构是一种有潜力的降噪技术

,之前的研究大部分都是针对二维翼型,然而,工程中很多模型与有限长度的翼型更为接近,仿鳍式尾缘结构降低有限展长翼型噪声的效果还有待研究。本文通过实验研究了仿鳍式尾缘结构对壁面安装形式下的有限长NACA0012翼型的降噪效果及其噪声特性。

1 仿鳍式尾缘结构噪声测试实验装置与方法

图3为壁面安装形式下的有限长基础翼型及仿鳍式尾缘结构翼型在90°观测角下的远场噪声频谱图,声压级单位为dB(参考值2.0×10

Pa)。图3(a)和图3(b)分别表示迎角

=0°、流速

=10 m/s和

=20 m/s时的远场噪声频谱图,可以看出,仿鳍式尾缘结构可有效降低约2 000 Hz范围内的中低频噪声,而对中高频噪声量级几乎无影响,且降噪量随仿鳍式尾缘结构高度

的增大而增加,但是当流速大于40 m/s时(未展示结果),降噪效果并不明显。图3(c)和图3(d)分别为迎角

=10°、流速

=40 m/s和

=60 m/s时的远场噪声频谱图,图3(e)和图3(f)分别为迎角

=15°、流速

=60 m/s和

=80 m/s时的远场噪声频谱图。可以看出,基础翼型频谱图的中高频范围存在一些明显的谱线尖峰,即基础翼型在中高频范围产生了一些多重纯音噪声。横向对比来看,相同迎角下纯音噪声的频率随流速的增加向高频移动。仿鳍式尾缘结构翼型的频谱图中,这些谱线尖峰被抑制或消除且谱线其余部分几乎无变化,使得谱线变得更平滑,且其平滑程度随仿鳍式尾缘结构高度

增大而增大。也就是说,仿鳍式尾缘结构抑制甚至消除了基础翼型产生的纯音噪声,且仿鳍式尾缘结构高度

越大降噪效果越好。特别是大迎角情况下,较小的高度

就能获得较好的降噪效果,例如迎角

=10°及

=15°时,仿鳍式尾缘结构高度

分别为4 mm和2 mm,足以消除基础翼型产生的纯音噪声。需要指出的是,本文并未观察到明显的宽频噪声降噪效果。本文的实验模型为有限展长的翼型且未加人工转捩装置,在多个实验工况下翼型噪声主要由边界层不稳定纯音噪声主导,宽频噪声贡献相对较小。这与文献[29]的实验有所不同,实验结果也有所差异。针对宽频噪声降噪,后续还需开展更加有针对性的详细实验。

从总体上说，语文教学研究所关注的主要是教材、教师、学生及相关媒介，涉及的也不外乎阅读教学、写作教学和口语交际教学，课型也不外乎必修与选修，教学情境中的课也主要包括新授、复习或指导等，但如果去关注研究方向和研究内容，你就会发现它们在不断变化。从一线教师的角度说，如果能有效解决好教学领域中经常出现的问题，并能注入新的活水，则其研究的成果就应该是显著的。因此，旧题新做实际上是现代教学研究常采用的研究方法，旧题新做的具体方法应该是与时俱进、问津探源、反向思考、求深求透。

“农业解决方案，对巴斯夫来讲一直是小而优的业务，虽然规模不大，但对我们非常有吸引力，一直对巴斯夫的利润贡献非常大。”Markus Heldt表示，假设将巴斯夫作物保护2017年的业绩和所收购的拜耳业务2017年业绩加起来，农业解决方案对集团销售额的占比应该是13%，而利润却达到20%。相信农业解决方案业务相对于整体业务贡献的比例在未来进一步优化。”

实验在中国空气动力研究与发展中心的0.55 m×0.4 m单回流式低速声学风洞中进行,开口实验段空风洞最高流速为100 m/s,气流湍流强度低于0.2%。实验流速为10～80 m/s,以叶片弦长作为特征长度的雷诺数约为1.3×10

～1.1×10

。翼型迎角为0°、10°和15°。图2(a)为实验现场图,翼型上方1 m处放置9通道远场传声器弧形架,传声器观测角度为50°～130°,间距为10°,用于分析不同观测方向的噪声谱;翼型下方0.84 m处放置孔径为1 m的70通道平面传声器阵列,用于分析翼型噪声源分布。图2(b)为俯视示意图,其中蓝点表示远场传声器,红点为阵列传声器,方框表示翼型边界,虚线表示与翼型连接的侧板,箭头表示气流流向。传声器均为GRAS公司46AE型自由场传声器。实验中远场传声器采样频率为51.2 kHz,采样时间为30 s,计算频谱时添加汉宁窗,分析点数为4 096;传声器阵列的采样频率为25.6 kHz,采样时间为10 s,后处理时窗函数为汉宁窗,重叠率为50%,频率分辨率为50 Hz,计算获得声压互谱矩阵。采用风洞实验中广泛使用的基于源相干性的清除法(CLEAN based on source coherence,CLEAN-SC)反卷积波束形成算法

计算翼型表面的声源分布并进行声学成像,分析翼型降噪效果及噪声源分布情况。

2 仿鳍式尾缘结构噪声测试实验结果与讨论

2.1 远场噪声频谱

本次实验采用弦长200 mm、翼展400 mm的NACA0012翼型模型,并将其一端与金属侧板连接在一起,厚度为0.75 mm仿鳍式尾缘结构安装在翼型85%弦长至尾缘处,如图1(a)所示。图1(b)和图1(c)分别为仿鳍式尾缘结构示意图及其型面,其型面设计与文献[29]类似,图1中

、

和

分别表示仿鳍式尾缘结构的高度、间距和弦向长度。为研究仿鳍式尾缘结构高度

对降噪性能的影响,设计了4种不同高度的仿鳍式尾缘结构,具体参数如表1所示,其中H0S0表示不安装仿鳍式尾缘结构的基础翼型,H2S4、H4S4、H6S4及H8S4分别表示高度为2 mm、4 mm、6 mm和8 mm,间距均为4 mm的仿鳍式尾缘结构翼型。

2.2 CLEAN-SC声源成像图

本节通过波束形成声源识别技术对几个典型的三分之一倍频程频带进行声源成像以分析噪声源的分布情况及降噪效果。图4、图5给出了不同工况下1 600 Hz、3 150 Hz、5 000 Hz和6 300 Hz频带的CLEAN-SC成像图,由于改型后的翼型大幅降低了噪声,每幅子图具有独立的图例以便更清晰地表示声源分布情况,显示动态范围均为10 dB。图4所对应的实验工况为迎角

=10°,流速

=60 m/s。可以看出,H0S0基础翼型产生的高水平噪声主要分布在翼型尾缘,5 000 Hz频带的噪声最大值约为82 dB,其余3个频带噪声最大值约为64 dB左右。纵向对比可知,H2S4尾缘抑制了基础翼型产生的高水平尾缘噪声,4个频带的噪声最大值被分别降低约6 dB、5 dB、25 dB和14 dB。随结构高度

的增大,所展示的频带噪声水平均被进一步降低。高水平尾缘纯音噪声被抑制后,仿鳍式尾缘翼型产生的噪声主要分布在翼型尾缘、翼型前缘及尾缘与侧板的连接处,并随结构高度

的增大出现高频叶尖噪声。

图5所对应的实验工况为迎角

=15°,流速

=60 m/s。可以看出,仿鳍式尾缘结构翼型的1 600 Hz频带噪声源分布及SPL大小相较于基础翼型几乎无变化,这是因为由图3(e)可知,该实验工况下基础翼型产生的纯音噪声分布在约2 000 Hz以上,因此仿鳍式尾缘结构对2 000 Hz以下的噪声几乎无影响。其他频带下,H2S4尾缘显著降低了基础翼型产生的尾缘噪声,分别降低约34 dB、12 dB和26 dB。随结构高度

的增大,H6S4尾缘相对于H2S4尾缘无明显的降噪效果提升,说明在大迎角下,较小高度的仿鳍式尾缘结构足以降低基础翼型产生的纯音噪声。结合图4和图5可知,当几乎完全抑制高水平尾缘纯音噪声后,仿鳍式尾缘翼型主要产生尾缘噪声、前缘及尾缘与侧板的连接处噪声及高频叶尖噪声。需要指出的是,图4和图5中的降噪量主要得益于仿鳍式尾缘结构对边界层不稳定纯音噪声的抑制,文献[21-24]采用尾缘锯齿也报道了20～40 dB的纯音降噪效果。

3 结 论

本文通过实验研究了不同流速和不同迎角工况下,具有不同高度

的仿鳍式尾缘结构对壁面安装形式下的有限长NACA0012翼型的降噪效果及其噪声特性。远场噪声频谱图和波束形成声源成像图结果表明:基础翼型会在翼型尾缘处产生一些明显的中高频纯音噪声,并且纯音噪声的频率随流速的增加向高频移动。仿鳍式尾缘结构可有效降低甚至消除基础翼型产生的纯音噪声,而对其他频带的噪声几乎无影响,特别是大迎角工况下较小高度的仿鳍式尾缘结构就能达到理想的降噪效果,例如流速

=60 m/s下,迎角

=10°时H2S4尾缘最大降低5 000 Hz频带噪声约25 dB,迎角

=15°时H2S4尾缘最大降低3 150 Hz频带噪声约34 dB,而对1 600 Hz频带的噪声水平和分布几乎无影响。总的来说,随来流速度增加,越大的仿鳍式尾缘结构高度对尾缘纯音噪声的降噪效果越好。仿鳍式尾缘结构翼型产生的宽频噪声主要分布在翼型尾缘、叶尖、翼型前缘及尾缘与侧板的连接处,当仿鳍式尾缘结构高度

较大时还会在叶尖产生高频噪声。

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