本發(fā)明屬于飛行器機(jī)翼的設(shè)計(jì)技術(shù)，涉及對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)機(jī)翼降噪設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)。

背景技術(shù)：

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的減少，機(jī)體噪聲成為降落過(guò)程中的主要聲源。其中，由湍流邊界層散射引起的后緣噪聲被認(rèn)為是機(jī)體噪聲中的重要組成部分。雖然直接修改翼型幾何參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)降噪的目的，但會(huì)有明顯的氣動(dòng)力損失，因此，當(dāng)前的研究轉(zhuǎn)向了從靜音鸮類中得到啟發(fā)的仿生降噪。鸮類之所以能夠靜音飛行，是因?yàn)辂^翼的羽毛有三個(gè)特殊結(jié)構(gòu)，分別為前緣鋸齒結(jié)構(gòu)、后緣干涉結(jié)構(gòu)和表面天鵝絨似覆羽。為此，本發(fā)明以具有良好低噪飛行能力的鸮翼為模本，提出一種仿生多孔降噪方法。此設(shè)計(jì)方法不僅簡(jiǎn)單實(shí)用，而且具有良好的降噪效果，同時(shí)不影響基準(zhǔn)翼型的氣動(dòng)外形，從而最大限度地保證翼型的氣動(dòng)特性。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)檢索，在飛行器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，尚未見(jiàn)到利用與鸮翼天鵝絨似覆羽等效的多孔介質(zhì)進(jìn)行降噪的仿生方法。本發(fā)明根據(jù)力學(xué)仿生原理和氣動(dòng)聲學(xué)研究了鸮飛行時(shí)的低噪特性，通過(guò)將多孔介質(zhì)應(yīng)用到翼型表面，緩解翼型與流體間較大的阻抗梯度。同時(shí)，發(fā)揮多孔介質(zhì)的阻尼特性，進(jìn)一步耗散掉湍流邊界層中的壓力脈動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流邊界層后緣散射等噪聲的緩解，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)翼型湍流邊界層后緣散射的降噪設(shè)計(jì)中面臨的設(shè)計(jì)效率低且效果差等問(wèn)題，本發(fā)明旨在提出一種以自然界中鸮翼母本的仿生降噪設(shè)計(jì)方法，即基于與天鵝絨似覆羽等效的多孔介質(zhì)進(jìn)行仿生降噪設(shè)計(jì)。進(jìn)而在保證翼型氣動(dòng)特性的前提下，提高低噪翼型設(shè)計(jì)效率，縮短工時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生良好的降噪效果。

本發(fā)明主要通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

一種基于鸮翼的仿生多孔降噪設(shè)計(jì)方法，以具有良好低噪能力的鸮翼為模本，利用與鸮翼天鵝絨似覆羽等效的多孔介質(zhì)完成降低翼型噪聲的設(shè)計(jì)，具體步驟如下：

(1)確定基準(zhǔn)翼型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)的聲源

利用風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算，對(duì)基準(zhǔn)翼型的流場(chǎng)進(jìn)行虛擬化，從而分辨流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)的聲源,包括：前緣分離、氣泡、自由剪切層、再附著、湍流邊界層和渦脫離；

(2)辨析基準(zhǔn)翼型聲源性質(zhì)

通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)處受聲點(diǎn)的聲壓級(jí)，分析頻譜中的音調(diào)成份和寬頻成份，從而確定基準(zhǔn)翼型的主要聲源特性，以便為仿生多孔降噪方法的應(yīng)用提供依據(jù)，包括：周期渦脫落導(dǎo)致的音調(diào)特性和湍流脈動(dòng)產(chǎn)生的寬頻特性；

(3)根據(jù)聲源位置，界定可進(jìn)行表面多孔處理的區(qū)域

依照翼型表面的壓力分布系數(shù)，判斷湍流和大尺度渦在壁面上流經(jīng)區(qū)域，從而得到聲源位置，然后以此界定翼型表面可以貼附多孔介質(zhì)的區(qū)域；

(4)確定多孔介質(zhì)的分布和范圍

從降噪的角度，多孔處理區(qū)應(yīng)布滿聲源所在區(qū)，但實(shí)際應(yīng)用中會(huì)考慮多孔介質(zhì)對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響，因此通常多孔處理的范圍會(huì)縮小到弦長(zhǎng)的1/10以內(nèi)，而厚度為后緣處湍流邊界層厚度的10～90％，通常這樣既能最大限度地降噪，同時(shí)又能最大程度地減小附加的摩擦阻力，對(duì)于多孔介質(zhì)的分布，可根據(jù)降噪效果采用連續(xù)分布或間斷分布；

(5)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證多孔處理后的降噪效果

采集后緣處的靜壓時(shí)間歷程，以此證實(shí)多孔介質(zhì)對(duì)壓力變化的緩解作用，一方面，降低壓力變化的幅值；另一方面，改變壓力變化的周期，從而減小渦進(jìn)化的時(shí)間，避免卷起強(qiáng)度較大的渦結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的壓差；

(6)分析多孔介質(zhì)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的作用

從多孔介質(zhì)能夠改變流場(chǎng)邊界的角度出發(fā)，分析多孔介質(zhì)對(duì)翼型附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的作用，進(jìn)而發(fā)掘其對(duì)邊界層內(nèi)壓力分布的變化以及湍流脈動(dòng)的變化的影響，多孔介質(zhì)的流阻差異會(huì)引起不同的脈動(dòng)抑制潛能。

該方法還包括步驟(7)對(duì)照多孔介質(zhì)使用前后翼型的噪聲參數(shù)，并剖析其機(jī)制；(8)揭示多孔介質(zhì)對(duì)降低噪聲的潛力。

所述步驟(1)是判斷流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中是否存在后緣噪聲的產(chǎn)生條件：湍流邊界層和渦脫落。

所述的步驟(2)是通過(guò)聲譜辨析后緣噪聲的性質(zhì)。

所述的步驟(3)是根據(jù)步驟(1)和步驟(2)，確定可布置多孔介質(zhì)的區(qū)域。

所述的步驟(4)是依照降低后緣阻抗變化梯度的原則選取多孔介質(zhì)的屬性、分布和范圍，其中多孔介質(zhì)的性質(zhì)即流阻介于0～∞之間，分布可采用連續(xù)式和間斷式，范圍控制在弦長(zhǎng)的1/10以內(nèi)，厚度是后緣處湍流邊界層厚度的10～90％，以便保證不會(huì)嚴(yán)重影響氣動(dòng)性。

所述的步驟(5)是發(fā)掘多孔介質(zhì)降噪的物理過(guò)程，為進(jìn)一步降噪提供依據(jù)。

所述的步驟(6)是在步驟(5)基礎(chǔ)上明確降噪潛力，從而制定相對(duì)準(zhǔn)確的降噪預(yù)期。

結(jié)合附圖中的實(shí)例可知，自然界中鸮類翅膀的特殊結(jié)構(gòu)不易直接應(yīng)用到工程實(shí)際，需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理，以便能相對(duì)簡(jiǎn)單地為工程結(jié)構(gòu)所用。

需要注意的是：步驟(2)和(3)為了仿生結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有工程意義，必須保證工程實(shí)際具有與真實(shí)的靜音鸮類相同的聲源和類似的降噪結(jié)構(gòu)分布，即所采用的翼型表面必須要有湍流邊界層；必須在翼型后緣附近的壁面湍流區(qū)貼附多孔介質(zhì)。同時(shí)，多孔介質(zhì)的厚度不能超過(guò)所在位置的邊界層厚度，并且多孔表面只分布在湍流邊界層中，從而避免產(chǎn)生附加聲源。

本發(fā)明的有益效果為：基于鸮翼天鵝絨似覆羽的仿生降噪設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、實(shí)用、效率高，同時(shí)，由于相關(guān)的生物母本具有良好的低速飛行特性，使得仿生降噪結(jié)構(gòu)能夠在更大的攻角范圍內(nèi)保持氣動(dòng)外形，從而減小對(duì)翼型自身氣動(dòng)性的影響。為工程設(shè)計(jì)人員在概念設(shè)計(jì)階段和后續(xù)的結(jié)構(gòu)修改階段提供了明確的設(shè)計(jì)方向和初步的設(shè)計(jì)方案，避免了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念中過(guò)于繁雜的設(shè)計(jì)程序，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)初始設(shè)計(jì)方案的性能快速評(píng)估，縮短了設(shè)計(jì)周期。

附圖說(shuō)明

圖1繞基準(zhǔn)翼型的流場(chǎng)

圖2遠(yuǎn)場(chǎng)的聲壓級(jí)

圖3翼型表面的壓力系數(shù)分布圖

圖4多孔處理的示意圖

圖5后緣處?kù)o壓的時(shí)間歷程

圖6不同多孔介質(zhì)對(duì)瞬態(tài)靜壓云圖的影響，其中：

(a)無(wú)多孔處理

(b)合成泡沫處理

(c)合成毛氈處理

(d)發(fā)泡劑處理

圖7 1/3倍頻程下的聲壓級(jí)

圖8發(fā)泡劑的降噪潛力

具體實(shí)施方式

下面，將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。

圖1為本發(fā)明中繞基準(zhǔn)翼型的流場(chǎng)。由于仿生多孔降噪方法主要針對(duì)的是湍流邊界層后緣散射等噪聲，所以需要對(duì)基準(zhǔn)翼型的噪聲聲源有詳細(xì)了解后才能對(duì)其表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩嗫滋幚?。從圖中可以看到，繞翼型流動(dòng)發(fā)生了前緣分離，又再次附著，之后湍流邊界層流過(guò)尖后緣，并伴隨有渦脫落，從而可以初步確定聲源。具體步驟如下：

(1)確定基準(zhǔn)翼型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)的聲源

①前緣分離

由于翼型的厚度集中于前緣附近，因此在最大厚度附近產(chǎn)生較大幾何曲率，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的逆壓梯度。在此作用下，前緣邊界層發(fā)生分離。

②湍流邊界層再附著

Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性的作用下，分離區(qū)和自由流之間的自由剪切層發(fā)生失穩(wěn)，進(jìn)而流動(dòng)實(shí)現(xiàn)湍流化。由此，湍流邊界層再附著在翼型表面上，沿著壁面流經(jīng)尖后緣，并形成一個(gè)長(zhǎng)氣泡。

③渦脫落

在回流區(qū)的下游末端，有大尺度的渦結(jié)構(gòu)從氣泡中分離出來(lái)，然后從翼型的后緣脫落，最終它達(dá)飽和狀態(tài)，破碎，并耗散掉。

圖2為本發(fā)明中由基準(zhǔn)翼型產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)。結(jié)合圖1分析繞基準(zhǔn)翼型的聲源特性，以便為仿生多孔降噪方法提供依據(jù)，下面為具體步驟：

(2)辨析基準(zhǔn)翼型聲源性質(zhì)；

①音調(diào)噪聲

由于大尺度的渦結(jié)構(gòu)從后緣脫落，對(duì)翼型產(chǎn)生周期性的升力變化，所以在頻譜上出現(xiàn)了相應(yīng)的音調(diào)特征，但不夠顯著。

②寬頻噪聲

湍流邊界層與尖后緣相互作用產(chǎn)生的寬頻噪聲占據(jù)了大部分的頻譜，說(shuō)明散射噪聲是主要的聲源。

圖3為基準(zhǔn)翼型表面壓力系數(shù)分布圖。結(jié)合圖1分析，流動(dòng)的再附著會(huì)使表面壓力系數(shù)發(fā)生階躍，以此能夠判斷流動(dòng)的再附著點(diǎn)，即湍流邊界層的起始點(diǎn)，從而確定翼型表面上可進(jìn)行多孔處理的區(qū)域。

(3)根據(jù)聲源位置，界定可進(jìn)行表面多孔處理的區(qū)域

通過(guò)湍流邊界層和分離渦等聲源在壁面上流經(jīng)區(qū)域，能夠確定可以貼附多孔介質(zhì)的區(qū)域。對(duì)于本發(fā)明中的例子，表面壓力系數(shù)分布圖中顯示基準(zhǔn)翼型的弦長(zhǎng)C為0.1m。根據(jù)壓力系數(shù)曲線的第一次階躍，可以判斷上表面的再附著點(diǎn)在0.055m處，湍流邊界層流經(jīng)的區(qū)域則為0.055～0.1m，也就是再附著點(diǎn)和后緣之間。為了便于實(shí)際應(yīng)用，基于弦長(zhǎng)C將再附著點(diǎn)和后緣進(jìn)行無(wú)量綱化，則上表面的再附著點(diǎn)在0.55C處，后緣在1C處，這樣湍流邊界層的區(qū)域?yàn)?.55～1C。依據(jù)仿生降噪方法，就確定了可供進(jìn)行多孔處理的區(qū)域?yàn)?.55～1C(即0.055～0.1m)之間，即可供選擇的多孔處理的范圍是0.45C(0.045m)。

圖4為本發(fā)明中對(duì)翼型后緣進(jìn)行多孔處理的示意圖。多孔介質(zhì)的作用在于緩解壁面和流場(chǎng)之間較大的阻抗變化，因此選擇在湍流邊界層流經(jīng)的翼型后緣上游布置多孔介質(zhì)。一方面，可以有效地降低后緣處的阻抗變化梯度；另一方面，多孔介質(zhì)進(jìn)一步阻尼湍流。這樣能最大限度地耗散壓力脈動(dòng)，緩解渦脫落的強(qiáng)度，從實(shí)現(xiàn)降低噪聲的目的。結(jié)合圖1和圖2給出具體實(shí)施步驟如下：

(4)確定多孔介質(zhì)的分布和范圍等

①確定多孔介質(zhì)的分布

由于噪聲的主要組成部分為寬頻散射噪聲，而音調(diào)噪聲相對(duì)較小，因此必須在阻抗變化梯度最大的翼型后緣附近布置多孔介質(zhì)，同時(shí)本發(fā)明為了簡(jiǎn)化流程，采用一種多孔介質(zhì)進(jìn)行連續(xù)分布。用于說(shuō)明仿生降噪方法而所涉及的三種多孔介質(zhì)分別為：合成泡沫(Porex，流阻為316,500Pa s/m2)、合成毛氈(Needlona felt SO 2002，流阻為130,200Pa s/m2)和發(fā)泡劑(Panacell 45ppi，流阻為700Pa s/m2)。當(dāng)然，也可以根據(jù)對(duì)降噪效果的需要，采用不同多孔介質(zhì)對(duì)表面進(jìn)行間斷分布，這樣可以進(jìn)一步降低阻抗變化梯度。

②確定多孔處理區(qū)的范圍L

從降噪的角度，多孔處理區(qū)可以布滿湍流邊界層的流經(jīng)區(qū)，某些特殊情況甚至要布滿整個(gè)翼型表面，但這樣也會(huì)導(dǎo)致阻力的明顯增加。因此，選擇多孔處理區(qū)時(shí)會(huì)考慮氣動(dòng)性能，把范圍縮小到既能最大限度地降噪，又能最大程度地減小附加的摩擦阻力。對(duì)于本發(fā)明的例子，多孔處理區(qū)的范圍L選擇為0.01m，即0.1C。

③確定多孔處理區(qū)的厚度H

多孔區(qū)的厚度H不能超過(guò)邊界層的厚度，以便保證光滑壁面流——水力學(xué)光滑，避免局部的流動(dòng)分離，從而增加額外的壓差阻力和摩擦阻力。但同時(shí)，多孔區(qū)的厚度也不應(yīng)太小，否則不能有效地緩解阻抗變化梯度和阻尼湍流脈動(dòng)。因此，厚度H應(yīng)該位湍流邊界層厚度的10～90％，這樣多孔區(qū)既深入湍流邊界層的速度虧損律層，湍流切應(yīng)力又可以得到充分的緩解。根據(jù)圖1中的后緣附近渦量分布，本發(fā)明的例子中的多孔處理區(qū)的厚度H選擇為0.001m。

(5)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證多孔處理后的降噪效果

結(jié)合圖5后緣處?kù)o壓的時(shí)間歷程，進(jìn)一步證實(shí)了發(fā)泡劑對(duì)壓力變化的緩解作用。發(fā)泡劑不僅降低了壓力變化的幅值，而且還對(duì)增加壓力變化的周期。從而使得自由剪切層不能更多的時(shí)間卷起更大的渦結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生更大的負(fù)壓值。

(6)分析多孔介質(zhì)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的作用

圖6給出了合成泡沫、合成毛氈和發(fā)泡劑等不同多孔介質(zhì)對(duì)瞬態(tài)靜壓云圖的影響和后緣。從圖中可以看到，靜壓場(chǎng)證實(shí)了多孔后緣能夠有效地降低壓力變化幅值，從而起到降噪的作用。同時(shí)，注意到流阻的差異會(huì)引起不同的壓力抑制潛能。

①具有較小流阻的發(fā)泡劑能大大緩解局部壓力的變化值，這是因?yàn)樵诼晫W(xué)反饋回路中

分離的剪切層對(duì)由渦脫落產(chǎn)生的噪聲擾動(dòng)不敏感，有助于噪聲的降低。

②具有較大流阻的合成泡沫不僅沒(méi)有阻尼負(fù)壓的變化，相反加大了渦脫落的強(qiáng)度，導(dǎo)

致聲源的增強(qiáng)。

上述的數(shù)值試驗(yàn)說(shuō)明多孔介質(zhì)對(duì)降低翼型氣動(dòng)噪聲是非常重要的。同時(shí)，由于仿生結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，可為工程應(yīng)用提供良好的參考。

為了更加直觀地觀察到仿生多孔降噪方法的效果，結(jié)合圖7和圖8說(shuō)明其在聲場(chǎng)中的作用。

(7)對(duì)照多孔介質(zhì)使用前后翼型的噪聲參數(shù)，并剖析其機(jī)制

圖7給出了多孔后緣對(duì)聲譜的影響。從中可以看到，寬頻和音調(diào)噪聲分別對(duì)應(yīng)了湍流邊界層后緣散射和渦脫落?；诎l(fā)泡劑的多孔處理使整個(gè)頻段上的幅值都有一定的下降。一方面，湍流邊界層的脈動(dòng)壓力在多孔介質(zhì)的耗散作用下，湍流強(qiáng)度被有效抑制，并且后緣處的阻抗變化梯度得到緩解，從而減少湍流邊界層的散射寬頻噪聲；另一方面，多孔介質(zhì)的阻尼作用也減弱了分離渦的強(qiáng)度，使得音調(diào)噪聲明顯減少，甚至消失。但同時(shí)，基于合成毛氈的多孔處理幾乎沒(méi)有任何降噪效果，這是因?yàn)槠渚哂休^大的流阻的緣故。

(8)揭示多孔介質(zhì)對(duì)降低噪聲的潛力

結(jié)合圖8可以更透徹地看到基于發(fā)泡劑的多孔處理的降噪潛力。發(fā)泡劑處理在低頻和高頻段都可以實(shí)現(xiàn)10dB以上的降噪，相反，最小的降噪效果則出現(xiàn)在人類最敏感的中頻段。這是因?yàn)楸景l(fā)明中的例子選擇了的二維模擬，阻止了展向渦量轉(zhuǎn)化為流向渦量，從而導(dǎo)致局部湍流脈動(dòng)的展向完美相關(guān)。重要的是，本發(fā)明在低頻段和中頻段的降噪趨勢(shì)與全尺寸模型的戶外試驗(yàn)結(jié)果相符，表明仿生多孔降噪方法是可信的。

本發(fā)明提出的多孔介質(zhì)降噪方法可以顯著地降低湍流邊界層后緣散射寬頻噪聲和后緣渦脫落音調(diào)噪聲。在保證了不響應(yīng)翼型整體氣動(dòng)外形的前提下，不僅節(jié)省了工時(shí)，縮短了周期，提高了效率，而且還保證整體的氣動(dòng)特性。

值得注意的是，上述具體實(shí)施例是用來(lái)做舉例的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到許多修改、變化和改型。這些修改、變化和改型都在本申請(qǐng)的宗旨和范圍內(nèi)，并落入權(quán)利要求書的保護(hù)范圍內(nèi)。