狹縫高度對葉片氣動噪聲的影響

張 廣，陳 源

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093； 2.上海理工大學 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 20093)

0 引 言

葉片噪聲由湍流邊界層與葉片和尾跡之間的相互作用而產(chǎn)生，是各類流體機械、風力機和飛行器等工程應用領域重要的噪聲激勵源。因此，關于葉片噪聲產(chǎn)生機理及控制技術的研究具有重要的理論意義和工程應用價值。當湍流渦的特征尺度并不是遠遠小于翼型弦長時，機翼的整體氣動載荷會受到影響并輻射出低頻噪聲[1]。其中湍流與葉片前緣的相互作用被認為是低頻下的主要噪聲源。王勇[2]對NACA0012翼型進行噪聲實驗測量，結(jié)果顯示，仿生改形模型隨著風速的逐漸增大對機翼前緣噪聲的控制作用開始從不穩(wěn)定逐漸變得穩(wěn)定，風速在60 m/s時，可降低總聲壓級約20 dB。陳坤[3]采用正交實驗的方法，將雕鸮羽毛條紋結(jié)構和鋸齒形態(tài)等消音特征重構在軸流風機葉片上，對比原風機的實驗發(fā)現(xiàn)，在不同轉(zhuǎn)速下，耦合軸流風機的降噪顯著，條紋結(jié)構對葉片模型氣動噪聲的影響相比鋸齒形態(tài)更大。Hansen[4]等人在實驗研究中發(fā)現(xiàn)，波浪形前緣對NACA0021翼型層流邊界層噪聲的影響與振幅和波長相關，并隨著振幅的增大或者波長的減小其降噪能力將明顯提高。同時國內(nèi)學者也有類似研究，陳偉杰[5]等人研究了雷諾數(shù)在2×105～8×105范圍內(nèi)前緣鋸齒結(jié)構對翼型葉片層流邊界層不穩(wěn)定噪聲的影響，得出前緣鋸齒可以減弱甚至完全抑制邊界層不穩(wěn)定性噪聲，鋸齒的振幅和波長對降噪均較敏感，隨著鋸齒振幅增大、波長的減小，降噪效果更為顯著，進一步研究發(fā)現(xiàn)，前緣鋸齒結(jié)構可以誘導流向渦產(chǎn)生，從而影響葉片下游邊界層流動，破壞聲學的反饋回路。喬渭陽[6]等人通過波浪形前緣應用在NACA0012翼型來研究對不穩(wěn)定性噪聲的影響，同時發(fā)現(xiàn)，隨著振幅的增大或波長的減小，不穩(wěn)定單音噪聲得到顯著降低。2016年，ISVR的Kim等[7]通過利用求解全三維無黏Euler方程，數(shù)值研究了波浪形前緣對平板翼型一湍流干涉噪聲的影響，主要系統(tǒng)地研究了鋸齒振幅對降噪效果的影響，認為鋸齒振幅是提高降噪效果的關鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)聲功率降噪量幾乎與鋸齒振幅成正比。他們指出波浪形前緣降噪機制主要包括兩個方面：由幾何傾斜而引起的“源截止效應”以及翼型前緣的相位干涉效應。

為降低流體與葉片前緣相互作用在中低頻下的主要噪聲源，通過引入狹縫結(jié)構進一步削弱根源從而破壞性地干擾原始根源。借助數(shù)值模擬的方法，研究狹縫高度對狹縫葉片氣動噪聲的影響及機理。

1 數(shù)值計算方法

1.1 計算模型

以仿生對稱翼型NACA634-021作為原始幾何模型，弦長C=100 mm，展弦比為1。其中，葉片的相對波長為λ/C=0.25 C，相對振幅為h/C=0.1 C。圖1為狹縫結(jié)構示意圖，定義w為狹縫寬度，相對狹縫寬度為w/λ，hs為狹縫高度，相對狹縫高度為hs/h，在相對狹縫寬度為w/λ=8%的基礎上，分別計算三種不同的狹縫高度葉片，其相對狹縫高度分別為33%、67%、100%。計算模型如圖2所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用拓撲結(jié)構為 “O”結(jié)構的六面體結(jié)構化網(wǎng)格。圖3為計算域拓撲示意圖，由A和B兩個域組成，A域為葉片邊界層和尾流區(qū)域，B域外部區(qū)域。圖4為A域內(nèi)葉片表面網(wǎng)格及“O”型網(wǎng)格示意圖。經(jīng)過y+計算，近壁面第一層網(wǎng)格高度為0.01 mm，滿足Δy+值小于等于1的要求，增長率為1.05， A域網(wǎng)格數(shù)量為7.4×106，B域網(wǎng)格數(shù)量為5.8×105。

圖1 刨根波齒前緣示意圖

圖2 刨根波齒前緣葉片

圖3 數(shù)值計算區(qū)域結(jié)構尺寸

圖4 前緣翼型網(wǎng)格

1.3 流場與聲場計算方法

通過CFD商業(yè)軟件求解非定常流動控制方程獲得葉片湍流場的數(shù)值解及流動聲源信息，馬赫數(shù)小于0.1，僅考慮偶極子面聲源的貢獻。采用具有二階精度的有界中心差分格式進行離散。刨根模型邊界條件及求解控制參數(shù)完全一致，邊界條件為：流場入口為速度入口，來流速度U0=30 m/s，葉片攻角為α=0°，流場出口為自由出流；葉片表面為絕熱無滑移壁面條件。時間步長為2.0×10-5，流場計算約2 500時間步后收斂，流場收斂后繼續(xù)計算2 500時間步獲得流場統(tǒng)計平均結(jié)果。

2 計算結(jié)果分析

2.1 狹縫高度對瞬態(tài)渦系結(jié)構的影響

圖5描述了刨根葉片Q準則渦核等值面瞬時速度云圖對比圖，在0°攻角下，此時三個刨根葉片由層流轉(zhuǎn)捩到湍流，未出現(xiàn)穩(wěn)定的T-S波，在葉片表面逐漸演變成Λ渦區(qū)，隨著主流脫離葉片后，湍流充分發(fā)展。如圖所示Λ渦區(qū)在葉片波谷處最先出現(xiàn)，隨著狹縫高度的增大，Λ渦在波谷處有所后移，周期性渦交錯現(xiàn)象逐漸消失，渦系結(jié)構不斷寬松沿流向不斷擴大，展向渦聯(lián)系變強，但尾跡渦厚度變厚，整體上大尺度渦有所增加。

圖5 0°攻角刨根葉片Q準則渦核等值面圖 (Q=2.2×104/s-2)

2.3 狹縫高度對非定常壓力脈動的影響

為了探究狹縫結(jié)構降噪機理，分別在距葉片前緣及尾緣法向近壁面處設置測點，監(jiān)測此處壓力脈動變化。根據(jù)Lockard[8]和Casalino[9]的研究，選擇葉片表面作為積分面，則只關注偶極子聲源，可知壓力脈動與面偶極子源噪聲有關，故壓力脈動的降低有利于降低偶極子源噪聲。

所示為0°攻角下不同狹縫高度葉片在近壁面前緣點及尾緣點的壓力脈動，從圖6可以看到，前緣點主峰主要集中在低頻，在波谷處的壓力脈動幅值最大，明顯大于波峰與基線處，且每隔1 000 Hz出現(xiàn)的窄帶尖峰脈動幅值依次減小。如圖7所示，在不同狹縫高度的葉片皆在尾緣點出現(xiàn)多個窄帶尖峰，呈現(xiàn)寬頻特性。隨著狹縫高度的增大，氣流在波谷引入的流速增大，使的氣流擾動增強，如此前緣點及尾緣點的壓力脈動幅值隨之增大，相對狹縫高度為33%時壓力脈動最小，尤其在波谷處的變化最為明顯。

2.4 狹縫高度對葉片聲場的影響

為了探究刨根波齒前緣結(jié)構對聲場的影響，在距離葉片中心點1 m處環(huán)形每隔15°布置一個噪聲接收點。如圖8以沿弦線方向尾緣正對的觀察點為起始點，當葉片與觀察點之間的距離大于2倍葉片弦長為幾何遠場[10]，通過接收點監(jiān)測葉片不同方向處聲壓級，探究葉片聲輻射的影響。

圖6 0°攻角葉片前緣點壓力脈動

圖7 0°攻角葉片尾緣處壓力脈動

圖8 指向性固定測點位置示意圖

通常，葉片的噪聲源不是均勻的向各個方向輻射的，為了更加清晰的分析葉片不同方位的聲壓級情況，圖9為不同狹縫高度b接收點的聲壓級頻譜圖，如圖所示，聲壓級的主峰頻率基本在同一頻率，葉片表現(xiàn)為寬頻特性，未出現(xiàn)明顯的窄帶單峰噪音，在500 Hz到2 kHz出現(xiàn)駝峰狀，隨著狹縫高度的增加，在中低頻聲壓級隨之有所下降，在2 000 Hz到6 kHz聲壓級有不同程度的下降，頻率在6 kHz后，相對狹縫高度為67%總聲壓級最高，相對狹縫高度為100%最低。

圖9 b觀測點處聲壓級頻譜圖

圖10為0°攻角下不同狹縫高度總聲壓級噪聲輻射指向性，如圖所示，總聲壓級的噪聲輻射指向性呈現(xiàn)為“8”字狀，為偶極子噪聲源，隨著狹縫高度的增加，總聲壓級隨之增大，在相對狹縫高度為33%時總聲壓級最低，與相對狹縫高度為100%的刨根葉片相比，,在弦線方向的噪聲最低可達8 dB，其他方向噪聲也可降低2 dB以上。

圖10 噪聲輻射指向性

3 結(jié)束語

(1)隨著刨根高度的增大，Λ渦在波谷處有所后移，周期性渦交錯現(xiàn)象逐漸消失，整體上大尺度渦有所增加。

(2)刨根齒葉片的壓力脈動在前緣點低頻段均出現(xiàn)窄帶尖峰，在尾緣處呈現(xiàn)寬頻特性。隨著狹縫高度的增大，在前緣點的壓力脈動幅值隨之增大，波谷處增大最為明顯，波峰處壓力脈動降低較為明顯。

(3)刨根齒葉片表現(xiàn)為偶極子源聲源特征，遠場噪聲以中低頻為主，呈現(xiàn)出寬頻特性。隨著狹縫高度的增大，總聲壓級隨之增大，相對狹縫高度為33%時聲壓級最小，相比相對狹縫高度為100%總聲壓級可降低2 dB以上。