帶仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)有限長翼型的噪聲特性及降噪實驗研究

中低雷諾數(shù)下,翼型擾流時翼型尾緣與層流邊界層相互作用會產(chǎn)生窄帶高強度的純音噪聲,純音噪聲的頻率與流速成指數(shù)關(guān)系,隨流速升高呈“階梯形”變化,該類型的純音噪聲也稱為層流邊界層不穩(wěn)定噪聲

。許多學(xué)者對翼型純音噪聲的產(chǎn)生機理進行了理論、數(shù)值和實驗研究

。Paterson等

認為該類型噪聲類似于渦脫落噪聲,并提出了渦脫落模型。Tam等

首次提出可以解釋該類純音噪聲頻率“階梯形”變化規(guī)律的聲學(xué)反饋回路模型。后續(xù)大量研究結(jié)果表明

聲學(xué)反饋回路模型可以更好地解釋邊界層不穩(wěn)定噪聲的產(chǎn)生機理:不穩(wěn)定噪聲的產(chǎn)生與翼型壓力面和吸力面流動都有一定的關(guān)系,壓力面為主要的反饋回路,吸力面為二次反饋回路

。前述的結(jié)論均來自于二維翼型或半無限長翼型模型實驗研究,但是現(xiàn)實中許多工程應(yīng)用壁面安裝形式下的有限長翼型,例如安裝在船體上的潛艇水翼、連接到輪轂或壁面的定子等。這類壁面安裝形式下的有限長翼型繞流時,會在翼型與壁面連接處和翼型葉尖形成馬蹄渦并隨氣流傳播,使流場變得更復(fù)雜

。

經(jīng)過上面的流程，可以得到有關(guān)相機虛擬運動軌跡（即每個相機的位置姿態(tài)），并且得到相對稀疏的點云，接下來需要對稀疏的點云進行稠密化，使用Yasutaka Furukawa等人提出的CMVS算法結(jié)合PMVS2算法[21]對目標(biāo)物體進行稠密點云的重構(gòu)，首先使用CMVS算法將輸入圖像分解為更容易處理的圖像簇，使之能更好并行處理來減少稠密點云重建的時間，然后使用PMVS2多視角立體視覺算法得到目標(biāo)的準確并密集的點云。PMVS2是一種基于面片的多視角立體視覺算法，算法大體上流程為特征點匹配，點云的擴展和點云的過濾，循環(huán)點云擴展和過濾過程三次得到最終的稠密化的點云。

2014年,Moreau等

對壁面安裝形式下的有限長NACA0012翼型進行了實驗研究,波束形成聲源識別結(jié)果表明尾緣噪聲是其主要噪聲源,并隨流速的增加噪聲源向翼尖移動,隨迎角的增大出現(xiàn)翼型與壁面連接處噪聲,后續(xù)實驗結(jié)果表明馬蹄渦與翼型前緣相互作用產(chǎn)生翼型與壁面連接處噪聲、翼型尾緣-葉尖附近的三維馬蹄渦產(chǎn)生尾緣噪聲

。2016年,Moreau等

指出壁面安裝形式下的有限長翼型在非零迎角下不僅會產(chǎn)生寬帶噪聲而且會產(chǎn)生許多離散純音噪聲,并且相比于二維翼型,壁面安裝形式下的有限長翼型會在更寬的雷諾數(shù)和迎角范圍產(chǎn)生純音噪聲。此外,純音噪聲的產(chǎn)生與尾緣的轉(zhuǎn)捩、分離和壓力面的輕度分離流體區(qū)域有關(guān),且分離流體區(qū)域和純音噪聲的產(chǎn)生位置隨迎角的增大沿翼型尾緣向葉尖移動。2018年,Moreau等

研究了翼型弧度對壁面安裝形式下的有限長翼型噪聲的影響,結(jié)果表明0%～2%弧度的翼型會產(chǎn)生高幅值的主純音噪聲,而4%～6%弧度翼型的頻譜則表現(xiàn)出顯著的次級純音特性,說明弧度是影響翼型純音噪聲產(chǎn)生工況、數(shù)量和強度的重要參數(shù)。

綜上可知翼型會產(chǎn)生高強度純音噪聲,且壁面安裝形式下的有限長翼型產(chǎn)生純音噪聲的工況范圍更寬,因此有必要對壁面安裝形式下的有限長翼型進行降噪研究。國內(nèi)外開展了很多翼型/葉片降噪研究,典型的降噪手段包括波浪狀前緣

、鋸齒尾緣

、多孔介質(zhì)

、仿鰭式尾緣

等。陳偉杰等

分別采用波浪狀前緣、鋸齒尾緣有效降低了NACA0012翼型的不穩(wěn)定純音噪聲,在大迎角狀態(tài)下,尾緣鋸齒會減弱甚至完全抑制不穩(wěn)定噪聲,降噪量高達40 dB。Chong

也發(fā)現(xiàn)尾緣鋸齒可以降低翼型純音噪聲達20 dB。研究結(jié)果表明,波浪狀前緣和鋸齒尾緣(尤其是切割式鋸齒尾緣)會降低翼型的氣動性能,這可能會限制其工程應(yīng)用范圍

。為降低翼型的噪聲,同時不顯著改變翼型的氣動性能,Clark等

提出了仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu),并研究了其對翼型的降噪效果,實驗結(jié)果表明,仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)可以降低尾緣噪聲多達10 dB。Shi等

則通過數(shù)值模擬研究了仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)對翼型流場的影響以及降噪機理,研究表明仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)可以顯著降低尾緣附近渦的展向相關(guān)長度,并降低壁面附近的湍動能。

眾多研究表明,仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)是一種有潛力的降噪技術(shù)

,之前的研究大部分都是針對二維翼型,然而,工程中很多模型與有限長度的翼型更為接近,仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)降低有限展長翼型噪聲的效果還有待研究。本文通過實驗研究了仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)對壁面安裝形式下的有限長NACA0012翼型的降噪效果及其噪聲特性。

1 仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)噪聲測試實驗裝置與方法

圖3為壁面安裝形式下的有限長基礎(chǔ)翼型及仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)翼型在90°觀測角下的遠場噪聲頻譜圖,聲壓級單位為dB(參考值2.0×10

Pa)。圖3(a)和圖3(b)分別表示迎角

=0°、流速

=10 m/s和

=20 m/s時的遠場噪聲頻譜圖,可以看出,仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)可有效降低約2 000 Hz范圍內(nèi)的中低頻噪聲,而對中高頻噪聲量級幾乎無影響,且降噪量隨仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)高度

的增大而增加,但是當(dāng)流速大于40 m/s時(未展示結(jié)果),降噪效果并不明顯。圖3(c)和圖3(d)分別為迎角

=10°、流速

=40 m/s和

=60 m/s時的遠場噪聲頻譜圖,圖3(e)和圖3(f)分別為迎角

=15°、流速

=60 m/s和

=80 m/s時的遠場噪聲頻譜圖?？梢钥闯?基礎(chǔ)翼型頻譜圖的中高頻范圍存在一些明顯的譜線尖峰,即基礎(chǔ)翼型在中高頻范圍產(chǎn)生了一些多重純音噪聲。橫向?qū)Ρ葋砜?相同迎角下純音噪聲的頻率隨流速的增加向高頻移動。仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)翼型的頻譜圖中,這些譜線尖峰被抑制或消除且譜線其余部分幾乎無變化,使得譜線變得更平滑,且其平滑程度隨仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)高度

增大而增大。也就是說,仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)抑制甚至消除了基礎(chǔ)翼型產(chǎn)生的純音噪聲,且仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)高度

越大降噪效果越好。特別是大迎角情況下,較小的高度

就能獲得較好的降噪效果,例如迎角

=10°及

=15°時,仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)高度

分別為4 mm和2 mm,足以消除基礎(chǔ)翼型產(chǎn)生的純音噪聲。需要指出的是,本文并未觀察到明顯的寬頻噪聲降噪效果。本文的實驗?zāi)Ｐ蜑橛邢拚归L的翼型且未加人工轉(zhuǎn)捩裝置,在多個實驗工況下翼型噪聲主要由邊界層不穩(wěn)定純音噪聲主導(dǎo),寬頻噪聲貢獻相對較小。這與文獻[29]的實驗有所不同,實驗結(jié)果也有所差異。針對寬頻噪聲降噪,后續(xù)還需開展更加有針對性的詳細實驗。

從總體上說，語文教學(xué)研究所關(guān)注的主要是教材、教師、學(xué)生及相關(guān)媒介，涉及的也不外乎閱讀教學(xué)、寫作教學(xué)和口語交際教學(xué)，課型也不外乎必修與選修，教學(xué)情境中的課也主要包括新授、復(fù)習(xí)或指導(dǎo)等，但如果去關(guān)注研究方向和研究內(nèi)容，你就會發(fā)現(xiàn)它們在不斷變化。從一線教師的角度說，如果能有效解決好教學(xué)領(lǐng)域中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，并能注入新的活水，則其研究的成果就應(yīng)該是顯著的。因此，舊題新做實際上是現(xiàn)代教學(xué)研究常采用的研究方法，舊題新做的具體方法應(yīng)該是與時俱進、問津探源、反向思考、求深求透。

“農(nóng)業(yè)解決方案，對巴斯夫來講一直是小而優(yōu)的業(yè)務(wù)，雖然規(guī)模不大，但對我們非常有吸引力，一直對巴斯夫的利潤貢獻非常大?！盡arkus Heldt表示，假設(shè)將巴斯夫作物保護2017年的業(yè)績和所收購的拜耳業(yè)務(wù)2017年業(yè)績加起來，農(nóng)業(yè)解決方案對集團銷售額的占比應(yīng)該是13%，而利潤卻達到20%。相信農(nóng)業(yè)解決方案業(yè)務(wù)相對于整體業(yè)務(wù)貢獻的比例在未來進一步優(yōu)化。”

實驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的0.55 m×0.4 m單回流式低速聲學(xué)風(fēng)洞中進行,開口實驗段空風(fēng)洞最高流速為100 m/s,氣流湍流強度低于0.2%。實驗流速為10～80 m/s,以葉片弦長作為特征長度的雷諾數(shù)約為1.3×10

～1.1×10

。翼型迎角為0°、10°和15°。圖2(a)為實驗現(xiàn)場圖,翼型上方1 m處放置9通道遠場傳聲器弧形架,傳聲器觀測角度為50°～130°,間距為10°,用于分析不同觀測方向的噪聲譜;翼型下方0.84 m處放置孔徑為1 m的70通道平面?zhèn)髀暺麝嚵?用于分析翼型噪聲源分布。圖2(b)為俯視示意圖,其中藍點表示遠場傳聲器,紅點為陣列傳聲器,方框表示翼型邊界,虛線表示與翼型連接的側(cè)板,箭頭表示氣流流向。傳聲器均為GRAS公司46AE型自由場傳聲器。實驗中遠場傳聲器采樣頻率為51.2 kHz,采樣時間為30 s,計算頻譜時添加漢寧窗,分析點數(shù)為4 096;傳聲器陣列的采樣頻率為25.6 kHz,采樣時間為10 s,后處理時窗函數(shù)為漢寧窗,重疊率為50%,頻率分辨率為50 Hz,計算獲得聲壓互譜矩陣。采用風(fēng)洞實驗中廣泛使用的基于源相干性的清除法(CLEAN based on source coherence,CLEAN-SC)反卷積波束形成算法

計算翼型表面的聲源分布并進行聲學(xué)成像,分析翼型降噪效果及噪聲源分布情況。

2 仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)噪聲測試實驗結(jié)果與討論

2.1 遠場噪聲頻譜

本次實驗采用弦長200 mm、翼展400 mm的NACA0012翼型模型,并將其一端與金屬側(cè)板連接在一起,厚度為0.75 mm仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)安裝在翼型85%弦長至尾緣處,如圖1(a)所示。圖1(b)和圖1(c)分別為仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)示意圖及其型面,其型面設(shè)計與文獻[29]類似,圖1中

、

和

分別表示仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)的高度、間距和弦向長度。為研究仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)高度

對降噪性能的影響,設(shè)計了4種不同高度的仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu),具體參數(shù)如表1所示,其中H0S0表示不安裝仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)翼型,H2S4、H4S4、H6S4及H8S4分別表示高度為2 mm、4 mm、6 mm和8 mm,間距均為4 mm的仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)翼型。

2.2 CLEAN-SC聲源成像圖

本節(jié)通過波束形成聲源識別技術(shù)對幾個典型的三分之一倍頻程頻帶進行聲源成像以分析噪聲源的分布情況及降噪效果。圖4、圖5給出了不同工況下1 600 Hz、3 150 Hz、5 000 Hz和6 300 Hz頻帶的CLEAN-SC成像圖,由于改型后的翼型大幅降低了噪聲,每幅子圖具有獨立的圖例以便更清晰地表示聲源分布情況,顯示動態(tài)范圍均為10 dB。圖4所對應(yīng)的實驗工況為迎角

=10°,流速

=60 m/s。可以看出,H0S0基礎(chǔ)翼型產(chǎn)生的高水平噪聲主要分布在翼型尾緣,5 000 Hz頻帶的噪聲最大值約為82 dB,其余3個頻帶噪聲最大值約為64 dB左右。縱向?qū)Ρ瓤芍?H2S4尾緣抑制了基礎(chǔ)翼型產(chǎn)生的高水平尾緣噪聲,4個頻帶的噪聲最大值被分別降低約6 dB、5 dB、25 dB和14 dB。隨結(jié)構(gòu)高度

的增大,所展示的頻帶噪聲水平均被進一步降低。高水平尾緣純音噪聲被抑制后,仿鰭式尾緣翼型產(chǎn)生的噪聲主要分布在翼型尾緣、翼型前緣及尾緣與側(cè)板的連接處,并隨結(jié)構(gòu)高度

的增大出現(xiàn)高頻葉尖噪聲。

圖5所對應(yīng)的實驗工況為迎角

=15°,流速

=60 m/s?？梢钥闯?仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)翼型的1 600 Hz頻帶噪聲源分布及SPL大小相較于基礎(chǔ)翼型幾乎無變化,這是因為由圖3(e)可知,該實驗工況下基礎(chǔ)翼型產(chǎn)生的純音噪聲分布在約2 000 Hz以上,因此仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)對2 000 Hz以下的噪聲幾乎無影響。其他頻帶下,H2S4尾緣顯著降低了基礎(chǔ)翼型產(chǎn)生的尾緣噪聲,分別降低約34 dB、12 dB和26 dB。隨結(jié)構(gòu)高度

的增大,H6S4尾緣相對于H2S4尾緣無明顯的降噪效果提升,說明在大迎角下,較小高度的仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)足以降低基礎(chǔ)翼型產(chǎn)生的純音噪聲。結(jié)合圖4和圖5可知,當(dāng)幾乎完全抑制高水平尾緣純音噪聲后,仿鰭式尾緣翼型主要產(chǎn)生尾緣噪聲、前緣及尾緣與側(cè)板的連接處噪聲及高頻葉尖噪聲。需要指出的是,圖4和圖5中的降噪量主要得益于仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)對邊界層不穩(wěn)定純音噪聲的抑制,文獻[21-24]采用尾緣鋸齒也報道了20～40 dB的純音降噪效果。

3 結(jié) 論

本文通過實驗研究了不同流速和不同迎角工況下,具有不同高度

的仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)對壁面安裝形式下的有限長NACA0012翼型的降噪效果及其噪聲特性。遠場噪聲頻譜圖和波束形成聲源成像圖結(jié)果表明:基礎(chǔ)翼型會在翼型尾緣處產(chǎn)生一些明顯的中高頻純音噪聲,并且純音噪聲的頻率隨流速的增加向高頻移動。仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)可有效降低甚至消除基礎(chǔ)翼型產(chǎn)生的純音噪聲,而對其他頻帶的噪聲幾乎無影響,特別是大迎角工況下較小高度的仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)就能達到理想的降噪效果,例如流速

=60 m/s下,迎角

=10°時H2S4尾緣最大降低5 000 Hz頻帶噪聲約25 dB,迎角

=15°時H2S4尾緣最大降低3 150 Hz頻帶噪聲約34 dB,而對1 600 Hz頻帶的噪聲水平和分布幾乎無影響?？偟膩碚f,隨來流速度增加,越大的仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)高度對尾緣純音噪聲的降噪效果越好。仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)翼型產(chǎn)生的寬頻噪聲主要分布在翼型尾緣、葉尖、翼型前緣及尾緣與側(cè)板的連接處,當(dāng)仿鰭式尾緣結(jié)構(gòu)高度

較大時還會在葉尖產(chǎn)生高頻噪聲。

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