陳偉杰， 喬渭陽， 仝帆， 段文華， 劉團結

西北工業(yè)大學 動力與能源學院， 西安 710129

前緣鋸齒對邊界層不穩(wěn)定噪聲的影響

陳偉杰， 喬渭陽*， 仝帆， 段文華， 劉團結

西北工業(yè)大學 動力與能源學院， 西安 710129

為探索仿生學前緣鋸齒結構的降噪規(guī)律，試驗研究了低雷諾數(shù)到中等雷諾數(shù)(Re=(2～8)×105)不同攻角狀態(tài)下9種前緣鋸齒結構對葉片層流邊界層不穩(wěn)定噪聲的影響。研究表明：前緣鋸齒可以減弱甚至完全抑制邊界層不穩(wěn)定噪聲，降噪效果對鋸齒振幅和鋸齒波長均比較敏感，鋸齒振幅越大、波長越小，降噪效果越好，降噪量可達30 dB；前緣鋸齒結構可以誘導產(chǎn)生流向渦，影響葉片下游邊界層流動，破壞聲學反饋回路；前緣鋸齒對邊界層不穩(wěn)定噪聲峰值頻率沒有影響。

前緣鋸齒； 不穩(wěn)定噪聲； T-S波； 分離泡； 聲學反饋回路

在雷諾數(shù)較低的情況下，風機、滑翔機、小型無人機、潛艇、水下螺旋槳以及實驗室縮比試驗環(huán)境均可能存在邊界層不穩(wěn)定噪聲。Paterson等[1]在1973年首次對NACA 0012和NACA 0018葉片邊界層不穩(wěn)定噪聲進行了系統(tǒng)的試驗研究，將此聲源稱為渦脫落噪聲，基于平板層流邊界層理論給出了預測不穩(wěn)定噪聲頻率的公式，并發(fā)現(xiàn)了不穩(wěn)定噪聲頻率隨速度變化的“階梯形”結構。Tam[2]在1974年否定了Paterson的“渦脫落模型”，認為其不能解釋試驗中出現(xiàn)的“階梯形”結構，并首次提出了介于振蕩尾跡與葉片尾緣之間的“聲學反饋回路模型”，基于Paterson的試驗數(shù)據(jù)給出了可以解釋“階梯形”結構不穩(wěn)定噪聲頻率預測公式。上述2種方法僅能預測不穩(wěn)定噪聲頻率，并不能預測不穩(wěn)定噪聲大小，Brooks等[3]在1989年針對NACA 0012葉片進行了大量試驗，提出了既能預測不穩(wěn)定噪聲頻率又可以預測不穩(wěn)定噪聲大小的半經(jīng)驗公式。此外，許多研究者對“聲學反饋回路”進行了研究。Arbey和Bataille[4]試驗研究了3種不同NACA 0012葉片邊界層不穩(wěn)定噪聲問題，指出Tollmien-Schlichting(T-S)波在葉片尾緣會散射為較強的噪聲，并提出了介于葉片尾緣與葉片最大速度點之間的“聲學反饋回路”。許多研究表明，邊界層不穩(wěn)定噪聲的產(chǎn)生主要與葉片壓力面尾緣附近的流動分離特別是層流分離泡相關，而與吸力面的邊界層流動無關[5-9]。但Desquesnes等[10]提出了不同的看法，認為不穩(wěn)定噪聲的產(chǎn)生與壓力面、吸力面的邊界層流動均有關，壓力面為主要的反饋回路，吸力面為二次反饋回路。Arcondoulis等[11]對不同的聲學反饋回路進行了總結并提出了亟待解決的問題。目前關于聲學反饋回路的研究還沒有定論，但本文更傾向于Desquesnes等提出的模型，即葉片邊界層不穩(wěn)定噪聲可能是由2個甚至多個聲學反饋回路共同作用的結果。

尾緣噪聲降噪問題一直是國內外學者研究的熱點，許多學者提出了多種降低葉片尾緣自噪聲的措施，如多孔介質[12]、刷式尾緣[13]、尾緣鋸齒[14]等，但需要指出的是，上述幾種流動控制措施主要還是針對葉片湍流邊界層噪聲。Inasawa等[15]研究了等離子體對NACA 0012翼型層流邊界層不穩(wěn)定噪聲的影響，研究表明，等離子體控制器可以有效降低不穩(wěn)定噪聲。NASA埃姆斯研究中心和格林研究中心首次研究了前緣鋸齒對葉片及轉子葉片氣動性能及噪聲的影響[16-19]。Fish和Battle[20]在1995年首次對座頭鯨鰭肢凸起結構進行了解剖學分析，此后，許多研究者研究了模仿座頭鯨的凸起結構對葉片氣動性能的影響[21-24]，但關于仿生學前緣鋸齒結構對葉片噪聲特別是層流邊界層不穩(wěn)定噪聲影響的研究較少。

本文采用試驗方法研究來流湍流度較低時不同雷諾數(shù)不同攻角狀態(tài)下葉片邊界層不穩(wěn)定噪聲，分析不穩(wěn)定噪聲隨雷諾數(shù)及攻角的變化關系，著重討論仿生學前緣鋸齒結構對不穩(wěn)定噪聲的影響，對鋸齒振幅和波長進行參數(shù)化研究，探索前緣鋸齒結構的降噪規(guī)律及降噪機制。

1 試驗裝置及測量方法

1.1 全消聲室

本試驗在中國飛機強度研究所航空噪聲與動強度航空科技重點實驗室進行，全消聲室尺寸為6 m×4 m×6 m，風洞出口為240 mm×300 mm的矩形，出口速度為U0，最高速度可達100 m/s，風洞出口湍流度小于1%，試驗裝置如圖1所示。葉片豎直安裝，上下端壁由有機玻璃板夾持，為便于安裝葉片，在風洞出口搭設了桁架，采用吸聲棉包裹桁架以減弱桁架對聲場的影響。通過分析背景噪聲可知，桁架對聲場的影響較小。

遠場指向性測量傳聲器布置方案如圖1(b)所示，采用25路傳聲器，測量角度范圍為30°～150°，間隔5°，傳聲器位于距離葉片半展長半弦長點半徑R=1.5 m的圓環(huán)上。

1.2 前緣鋸齒葉片

圖1 全消聲室試驗裝置Fig.1 Anechoic chamber experiment setup

圖2 前緣鋸齒葉片結構示意圖Fig.2 Sketch of blade with leading-edge serrations

表1 前緣鋸齒結構設計參數(shù)Table 1 Design parameter of leading-edge serrations

圖3 前緣鋸齒葉片F(xiàn)ig.3 Blades with leading-edge serrations

1.3 試驗狀態(tài)及測量設備

試驗中來流速度為20～80 m/s，對應的基于葉片弦長的雷諾數(shù)為Re=(2～8)×105，幾何攻角變化范圍為0°～15°。實驗室條件下有限的風洞出口尺寸會造成來流流線彎曲和下洗，導致有效攻角減小，Brooks等[25]基于升力面理論給出了如下攻角修正公式

αe=αg/ζ

(1)

(2)

σ=(π2/48)(c/L)

(3)

式中：αg為幾何攻角；αe為有效攻角；c為葉片弦長；L為風洞寬度。采用上述公式對攻角進行修正，結果如表2所示。如無特殊說明，本文進行圖例闡述時均采用幾何攻角。

本試驗采用BSWA公司1/4英寸預極化自由場傳聲器，其有效頻率范圍為20 Hz～20 kHz，最大可測量168 dB的聲壓信號，工作溫度范圍為-50～+110 ℃，環(huán)境溫度系數(shù)為0.01 dB/K，環(huán)境壓力系數(shù)為-10-5dB/Pa。傳聲器的前置放大器與Mueller-BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，該系統(tǒng)最多支持32路傳聲器同步采集，數(shù)據(jù)采樣率最高達102.4 kHz。圖4所示為BSWA傳聲器及32路通道的BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

表2 攻角修正Table 2 Correction of angle of attack

圖4 BSWA傳聲器及BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 BSWA microphone and BBM data acquirement system

為了保證測量精度，在測量開始前，采用標準聲源(1 000 Hz，114 dB)對傳聲器進行了校準。本試驗采樣率為32 768 Hz，采樣時間為10.75 s，每個狀態(tài)進行了2組測量，后處理取其代數(shù)平均。數(shù)據(jù)處理時取8 192個數(shù)據(jù)點進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation， FFT),采用Welch法求取聲壓功率譜密度，數(shù)據(jù)重疊50%，平均170次，頻率分辨率為4 Hz。

2 試驗結果分析

2.1 不穩(wěn)定噪聲頻譜特征分析

圖5所示為基準葉片邊界層不穩(wěn)定噪聲聲壓級(Sound Pressure Level，SPL)典型頻譜，AOA為來流攻角，fdmax表示幅值最大的離散單音頻率，fd表示幅值較小的單音頻率。不穩(wěn)定噪聲頻譜形狀可以分為2類：第1類為“鐘形”結構，包含多重離散單音噪聲，如圖5(a)所示；第2類為頻帶較窄的單音噪聲，如圖5(c)所示。背景噪聲頻譜中568 Hz處存在1個單音，當風洞出口速度為0時此單音依然存在，推測為經(jīng)風洞傳入消聲室內的噪聲，由于其頻率較低且幅值較小，影響可以忽略。

圖5 基準葉片不穩(wěn)定噪聲頻譜分析Fig.5 Analysis of baseline blade instability noise spectrum

圖6 總聲壓級與來流速度的關系Fig.6 Relationship between OASPL and inflow velocity

圖6所示為基準葉片總聲壓級(Overall Sound Pressure Level，OASPL)隨來流速度U0的變化關系，總聲壓級求取范圍為100～16 384 Hz。Uref為參考速度，ΔOASPL為不同來流速度下的總聲壓級與參考速度下的總聲壓級之差。 圖中包括0° 攻角和5° 攻角結果，虛線表示按速度的6次方擬合結果，由圖可知，0° 攻角狀態(tài)下聲功率近似與來流速度的6次方成正比。圖中同時給出了未安裝葉片時的背景噪聲，可以看出，由于有機玻璃板等裝置的存在，噴流噪聲聲功率并不是與速度的8次方成正比。

2.2 前緣鋸齒對不穩(wěn)定噪聲的影響

2.2.1 鋸齒振幅A的影響

值得注意的是，與本課題組關于尾緣鋸齒的研究結論不同，前緣鋸齒對不穩(wěn)定噪聲峰值頻率影響較小，即不會增大基準葉片已存在的不穩(wěn)定噪聲，也不會誘導產(chǎn)生基準葉片不存在的不穩(wěn)定噪聲。前緣鋸齒類似于“旋渦發(fā)生器”，可以誘導流向渦的產(chǎn)生，影響葉片下游邊界層的發(fā)展，改善邊界層的穩(wěn)定性，且鋸齒振幅越大對下游流場影響越顯著，而尾緣鋸齒的影響主要局限于葉片尾緣附近，對葉片上游邊界層影響較小?？梢姡瑢τ趯恿鬟吔鐚硬环€(wěn)定噪聲而言，前緣鋸齒降噪效果優(yōu)于尾緣鋸齒。

圖7 鋸齒振幅對葉片不穩(wěn)定噪聲的影響(AOA=0°)Fig.7 Effect of serration amplitude on blade instability noise (AOA=0°)

圖8 總聲壓級指向性(AOA=0°)Fig.8 OASPL directivity (AOA=0°)

圖8所示為0° 攻角不同速度狀態(tài)下總聲壓級指向性結果。低速狀態(tài)下，前緣鋸齒減弱甚至完全抑制了邊界層不穩(wěn)定噪聲，在各個方位角均取得了明顯的降噪效果。在高速狀態(tài)下，主要為湍流邊界層寬頻噪聲，且總聲壓級的大小主要取決于低頻段的聲壓級大小，由總聲壓級并不能觀察到前緣鋸齒的降噪效果。

2.2.2 鋸齒波長W的影響

尾緣鋸齒的引入僅能改變葉片尾緣附近的流場，對葉片上游流場影響較小，而前緣鋸齒的引入改變了葉片前緣的流場結構，對葉片下游流場也會有較大的影響，可想而知，鋸齒波長越小，一定展向高度內包含的鋸齒數(shù)量越多，對下游流場結構影響越大，對噪聲輻射影響也越大，降噪效果就越明顯。

圖10所示為0° 攻角不同速度狀態(tài)下總聲壓級指向性結果。由圖可知，低速狀態(tài)下，前緣鋸齒可以降低各個方位角的總聲壓級；高速狀態(tài)下，前緣鋸齒略微增大了總聲壓級。

圖11所示為5° 攻角狀態(tài)下前緣鋸齒結構對葉片不穩(wěn)定噪聲的影響。由圖可知，對基準葉片而言，低速與高速狀態(tài)下邊界層不穩(wěn)定噪聲類型并不相同，當來流速度為40 m/s時，不穩(wěn)定噪聲頻譜較尖，類似于單音噪聲；而當來流速度為60 m/s時，不穩(wěn)定噪聲頻譜較寬，即前述的“鐘形”頻譜，且鋸齒結構對不穩(wěn)定噪聲峰值頻率幾乎沒有影響。在2種狀態(tài)下，前緣鋸齒結構均可以降低不穩(wěn)定噪聲，且鋸齒波長越小，降噪效果越好，A10W10鋸齒葉片可以完全抑制邊界層不穩(wěn)定噪聲，降噪量高達25 dB。

圖12所示為5° 攻角不同速度狀態(tài)下總聲壓級指向性結果，當來流速度為40 m/s時，各個方位角均取得了5 dB左右的降噪效果。

圖9 鋸齒波長對葉片不穩(wěn)定噪聲的影響(AOA=0°)Fig.9 Effect of serration wavelength on blade instability noise (AOA=0°)

圖10 總聲壓級指向性(AOA=0°)Fig.10 OASPL directivity (AOA=0°)

圖13所示為10° 攻角狀態(tài)下前緣鋸齒結構對葉片不穩(wěn)定噪聲的影響。由圖可知，鋸齒波長越小降噪效果越好，當鋸齒波長較大時，還有可能增大不穩(wěn)定噪聲。前緣鋸齒對主要不穩(wěn)定噪聲和二次不穩(wěn)定噪聲均有降噪作用，且對不穩(wěn)定頻率沒有影響。

圖14所示為10° 攻角不同速度狀態(tài)下總聲壓級指向性結果。由圖可知，鋸齒波長越小，降噪效果越好，但隨著鋸齒波長進一步減小，降噪量增加的并不明顯。

圖11 鋸齒波長對葉片不穩(wěn)定噪聲的影響(AOA=5°)Fig.11 Effect of serration wavelength on blade instability noise (AOA=5°)

圖12 總聲壓級指向性(AOA=5°)Fig.12 OASPL directivity (AOA=5°)

圖13 鋸齒波長對葉片不穩(wěn)定噪聲的影響(AOA=10°)Fig.13 Effect of serration wavelength on blade instability noise (AOA=10°)

圖15所示為15° 攻角狀態(tài)下前緣鋸齒結構對葉片不穩(wěn)定噪聲的影響。在來流速度為40 m/s 的狀態(tài)下，所有葉片均不存在不穩(wěn)定噪聲，前緣鋸齒結構的引入會增大葉片噪聲，且鋸齒波長越小，增大的越多，最大約4 dB。當來流速度增大到60 m/s時，不穩(wěn)定噪聲又重新出現(xiàn)，鋸齒結構可以降低不穩(wěn)定噪聲，且鋸齒波長越小降噪效果越好。由此可見，不穩(wěn)定噪聲對來流速度和攻角均比較敏感。

圖14 總聲壓級指向性(AOA=10°)Fig.14 OASPL directivity (AOA=10°)

圖15 鋸齒波長對葉片不穩(wěn)定噪聲的影響(AOA=15°)Fig.15 Effect of serration wavelength on blade instability noise (AOA=15°)

圖16 總聲壓級指向性(AOA=15°)Fig.16 OASPL directivity (AOA=15°)

圖16所示為15° 攻角不同速度狀態(tài)下總聲壓級指向性結果。由圖可知，低速狀態(tài)下，前緣鋸齒會增大葉片湍流邊界層寬頻噪聲；而高速狀態(tài)下，前緣鋸齒可以降低葉片層流邊界層不穩(wěn)定噪聲。

2.2.3 鋸齒振幅波長之比A/W的影響

圖17所示為0° 攻角來流速度20 m/s時總聲壓級降噪量三維柱狀圖，降噪量由基準葉片總聲壓級減去鋸齒葉片總聲壓級得到。由圖可知，降噪效果對鋸齒振幅、鋸齒波長均比較敏感，總體來講，鋸齒振幅越大、波長越小，降噪量越大。

圖18所示為0° 攻角來流速度為20 m/s時總聲壓級隨鋸齒振幅波長之比的變化關系。由圖18(a)可知，當鋸齒振幅一定時，A/W越大，鋸齒葉片總聲壓級越??；但當A/W一定時，鋸齒振幅越大，鋸齒總聲壓級越大，進一步證明鋸齒振幅對噪聲有較大影響，圖中同時給出了基準葉片總聲壓級大小，如圖中圓點所示。圖18(b)所示為總聲壓級降噪量隨鋸齒振幅波長之比的變化關系，通過對圖中數(shù)據(jù)進行分析，可知總聲壓級降噪量大致符合以下關系

(4)

圖17 總聲壓級降噪量(AOA=0°,U0=20 m/s)Fig.17 Noise reduction of overall sound pressure level (AOA=0°, U0=20 m/s)

圖18 鋸齒振幅波長比對總聲壓級降噪量的影響(AOA=0°,U0=20 m/s)Fig.18 Effect of serration amplitude to wavelength ratio on OASPL noise reduction (AOA=0°,U0=20 m/s)

3 結 論

1) 在基準葉片不存在不穩(wěn)定噪聲的狀態(tài)下，前緣鋸齒不會誘導不穩(wěn)定噪聲，與尾緣鋸齒會誘導不穩(wěn)定噪聲不同；在基準葉片存在不穩(wěn)定噪聲的狀態(tài)下，前緣鋸齒可以減弱甚至完全抑制不穩(wěn)定噪聲，降噪量可達30 dB。

3) 前緣鋸齒葉片對不穩(wěn)定噪聲峰值頻率影響較小，這與尾緣鋸齒會顯著改變不穩(wěn)定噪聲頻率不同。

4) 前緣鋸齒類似于“旋渦發(fā)生器”，可以誘導流向渦的產(chǎn)生，增強葉片下游邊界層動量交換，改善邊界層穩(wěn)定性，破壞不穩(wěn)定噪聲產(chǎn)生所需的“聲學反饋回路”，降低邊界層不穩(wěn)定噪聲。

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Effectofleading-edgeserrationsonboundarylayerinstabilitynoise

CHENWeijie,QIAOWeiyang*,TONGFan,DUANWenhua,LIUTuanjie

SchoolofPowerandEnergy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,China

Inordertoexplorethenoisereductionlawofthebionicsleading-edgeserrations,theeffectofnineleading-edgeserrationsonbladelaminarboundarylayerinstabilitynoisehasbeeninvestigatedexperimentallyatlowtomoderateReynoldsnumber(Re=(2-8)×105)anddifferentangleofattacks.Itcanbeconcludedthatleading-edgeserrationscandecreaseandeventotallysuppressbladelaminarboundarylayerinstabilitynoise.Thenoisereductioneffectisverysensitivetobothserrationamplitudeandserrationwavelength,andthebladewithlargeramplitudeandsmallerwavelengthhasbetternoisereductioneffect,whichcanreachamaximumof30dB.Thenoisereductionmechanismisattributedtothestream-wisevorticesinducedbytheleading-edgeserrations,whichcanaffectbladedownstreamboundarylayerflowandthendestroytheacousticfeed-backloop.Theleading-edgeserrationshavenoeffectontheinstabilitynoisepeakfrequency.

leading-edgeserrations;instabilitynoise;T-Swave;separationbubble;acousticfeed-backloop

2016-01-13;Revised2016-03-08;Accepted2016-03-29;Publishedonline2016-04-080933

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160408.0933.006.html

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51276149，51476134)；StateKeyLaboratoryofAerodynamicsResearchFund(SKLA20140201)

2016-01-13；退修日期2016-03-08；錄用日期2016-03-29； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

時間：2016-04-080933

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160408.0933.006.html

國家自然科學基金 (51276149，51476134)； 空氣動力學國家重點實驗室研究基金 (SKLA20140201)

*

.Tel.：029-88482195E-mailqiaowy@nwpu.edu.cn

陳偉杰， 喬渭陽， 仝帆， 等． 前緣鋸齒對邊界層不穩(wěn)定噪聲的影響J． 航空學報,2016,37(12):3634-3645.CHENWJ,QIAOWY,TONGF,etal.Effectofleading-edgeserrationsonboundarylayerinstabilitynoiseJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(12):3634-3645.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0104

V231

A

1000-6893(2016)12-3634-12

陳偉杰男， 博士研究生。主要研究方向： 葉輪機械氣動聲學。E-mail: cwj@mail.nwpu.edu.cn

喬渭陽男， 教授， 博士生導師。主要研究方向： 葉輪機械氣動熱力學、 氣動聲學、 流動控制技術。Tel.: 029-88482195E-mail: qiaowy@nwpu.edu.cn

*Correspondingauthor.Tel.：029-88482195E-mailqiaowy@nwpu.edu.cn