基于模态分解方法的复合生物启发翼型的空气动力学优化与噪声降低

《Energy》：Aerodynamic Enhancement and Noise Reduction of a Composite Bio-inspired Airfoil Based on Mode Decomposition Methods

本研究提出一种结合阶梯槽和锯齿形尾缘的复合仿生翼型设计，通过RANS-LES耦合及FW-H类比，揭示其在0°–14°攻角范围内实现气动效率提升24.8%和降噪12dB的协同优化机制，并利用POD/EPOD/DMD分析流场能量重构与涡脱落控制原理。

　　

沈伟新|叶绪敏|肖伟|李春曦

中国华北电力大学低碳高效发电技术河北省重点实验室，河北省保定市071003

摘要

为了解决仿生设计中的权衡问题，本研究提出了一种复合的仿生翼型，该翼型结合了阶梯状凹槽和锯齿状后缘。通过使用混合雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）与大涡模拟（LES）以及Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）类比方法，在雷诺数Re约为1.0×10⁵、马赫数为0.03的条件下，研究了NACA 4412基线翼型的协同机制。值得注意的是，在攻角范围α = 0°–14°内，同时实现了空气动力性能的提升和声学性能的改善。在这种条件下，优化后的翼型使升阻比提高了24.8%，附着流动中的噪声降低了12分贝，同时在深度失速状态下仍保持了2–4分贝的噪声衰减。从空气动力学的角度来看，该结构通过压力调节消除了层流分离泡。从声学角度来看，这种机制打破了涡脱落的展向相干性。利用适当正交分解（POD）、扩展适当正交分解（EPOD）和动态模态分解（DMD）的分析表明，这种控制策略抑制了主导不稳定波的线性增长，将能量重新分配到辐射效率较低的小尺度模式中。这项工作为优化低噪声风力涡轮机叶片提供了新的途径。

引言

随着“碳峰值和碳中和”策略在全球范围内的持续实施，可再生能源的发展已成为应对能源危机和气候变化的重要举措。在各种可再生能源中，风能由于其丰富性和环境效益而被广泛利用，近年来其在总能源结构中的份额稳步增长[1]、[2]。然而，风能技术仍然受到能量转换效率低下和空气动力噪声水平过高的双重挑战。鉴于风力涡轮机叶片的空气动力轮廓与其能量转换效率和空气声学特性之间的内在关联，利用仿生原理优化翼型几何形状是提高空气动力性能和减轻空气动力噪声的最有效方法之一[3]、[4]、[5]。

在各种被动仿生流动控制技术中，模仿猫头鹰翅膀形态的锯齿状后缘因其卓越的降噪能力而被广泛用于空气动力噪声抑制[6]。现有研究表明，其主要机制是将二维后缘涡结构转化为三维小尺度涡系统。这一过程打破了噪声源的时空相干性，从而减弱了远场声辐射[7]、[8]。Narayanan等人的实验研究[9]表明，具有特定参数的弯曲锯齿在中高频范围内具有更好的降噪效果。Ahn等人[10]通过结合LES和谱适当正交分解（SPOD）研究了锯齿角度的影响，发现由锯齿边缘引起的次级流动在噪声抑制中起着关键作用。此外，为了应对更复杂的工程场景，研究还扩展到了主动控制策略（如带有锯齿的混合吹气和吸气[11]）和非均匀锯齿[12]。最近的高保真模拟进一步阐明了后缘形态和流动条件的影响。Kang和Lee[13]、[14]研究了变形后缘的空气动力学和空气声学效应，发现平坦的凹曲率能有效抑制低频噪声并保持流动附着，而凸形设计则不然。此外，他们对错位流动的研究[15]表明，流动错位引起的展向反相相干性在噪声抑制中起着重要作用，为旋转叶片和锯齿几何形状提供了物理洞察。尽管锯齿状后缘在声学上取得了成功，但它们对翼型空气动力性能的影响仍不确定，有时甚至可能产生不利影响。优先考虑降噪的设计往往会影响空气动力效率，表现为阻力增加或升力减少[16]。类似地，Guo等人[17]指出，虽然不对称锯齿具有出色的降噪效果，但可能会影响叶片的结构完整性和空气动力效率。因此，在当前单一功能的锯齿状后缘设计中，平衡声学和空气动力性能的固有难度仍然是一个主要挑战。

表面开槽是另一种常见的被动流动控制策略，主要用于提高空气动力性能。通过修改表面几何形状与边界层的相互作用，这种技术可以抑制流动分离，改善压力分布，并可能减轻空气动力噪声。在空气动力学方面，这种方法的有效性已经得到了广泛验证。现有研究表明，设计良好的凹槽配置（如双槽[18]或组合狭缝-凹槽[19]）能有效抑制吸力侧的流动分离，从而在高攻角下提高升力系数和失速特性。这些设计通常受到仿生原理的启发，例如鸟类翅膀的分层羽毛[20]或鲨鱼皮肤的肋状结构[21]。例如，Elsayed等人[22]证实，受鸟类翅膀启发的阶梯状凹槽可以在不牺牲升力生成的情况下延迟失速。此外，开槽翼型的降噪潜力也受到了越来越多的关注。Akhter等人[23]观察到，在特定运行条件下，带被动吹气的开槽襟翼可以同时提高空气动力性能并降低远场噪声。Zhang等人的LES结果表明，仿生脊状结构在降低噪声的同时对空气动力效率的影响可以忽略不计。其背后的机制通常归因于后缘流动的调节；正如Bodling和Sharma[25]所指出的，这主要是通过减少展向相干性来实现的，从而降低了声音散射效率。然而，现有研究指出，单一功能的开槽设计难以在空气动力性能和噪声控制之间取得平衡。优先考虑空气动力优化的设计往往忽视了声学特性，而仅针对降噪的设计则经常会在复杂流场中产生额外的形状阻力或新的噪声源[26]、[27]。因此，在保持空气动力效率的同时实现宽带降噪仍然是当前翼型设计中的一个关键挑战。

上述研究表明，后缘锯齿是抑制后缘噪声的有效手段，而适当的开槽可以在特定条件下显著提高空气动力性能并减轻噪声。为了克服这些单一功能仿生设计在实现空气动力和声学性能协同优化方面的局限性，本研究以广泛应用的NACA 4412翼型为基准，提出了一种复合的仿生翼型。通过结合阶梯状凹槽和锯齿状后缘，该设计结合了两种控制策略的优点，同时提高了空气动力效率并抑制了噪声。首先，通过数值模拟来表征空气动力性能和噪声的变化。随后，应用了一系列流场模态分析技术来揭示性能提升的潜在机制。这些技术包括：（1）POD用于识别不同尺度上的主导能量结构，以研究能量重新分配[28]、[29]；（2）DMD提供了动态视角，通过抑制核心线性不稳定性来阐明波动衰减[30]、[31]、[32]；（3）EPOD建立了流动结构与降低声辐射效率之间的因果关系。这些方法共同提供了对能量、稳定性和因果关系维度的流动控制和噪声降低的全面分析[33]。

部分摘录

几何模型

以弦长c = 0.15m的NACA 4412翼型为基准轮廓，设计了一种局部复合仿生结构，其三维几何配置如图1(c)和1(d)所示。该设计概念借鉴了猫头鹰的静默飞行机制（图1(a)）和鹰的高速滑翔能力（图1(b)）。

POD和EPOD

与忽略场间耦合的标准POD不同，EPOD能够表征多个数据集的同时演变[33]。这种能力对于分析空气声学和流固相互作用至关重要。

空气动力力和效率分析

为了评估仿生设计对基准翼型空气动力性能的影响，在雷诺数Re = 1×10⁵和攻角α从0°到18°的范围内，比较了基准翼型、STE翼型和CSS翼型的空气动力参数和流场特性的变化。同时也研究了潜在的机制。图5(a)表明，与基准情况相比，四种仿生翼型的失速角度保持不变，所有仿生配置都表现出明显的升力

结论

基于NACA 4412基线的复合仿生翼型，通过结合锯齿状后缘和阶梯状凹槽，有效提高了空气动力性能并降低了噪声。在攻角范围α = 0°–16°内，CSS-d1-p22.5翼型表现出最佳的空气动力效率，升阻比提高了24.8%。这一改进主要归因于前缘吸力峰的增强和

CRediT作者贡献声明

李春曦：撰写 – 审稿与编辑，监督。叶绪敏：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。肖伟：数据整理。沈伟新：撰写 – 原始草稿，软件开发，形式分析

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