《Aerospace Science and Technology》：Noise Control of Swept High-Lift Devices Using Slat Cove Wavy Wall
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针对三维斜切翼高升力装置的宽频带噪声问题，本研究通过数值模拟分析波纹壁面处理对流动场、声源及远场噪声的影响，发现不同倾角的波纹结构可降低噪声3分贝，同时维持升力不变，提升升阻比，为被动降噪设计提供新思路。
Jiamin Xie|Xiaoquan Yang|Jue Ding|Peifen Weng|Lihua Wang
上海应用数学与力学研究所，上海大学力学与工程科学学院，上海能源工程力学重点实验室，中国上海200072
摘要
在飞机起飞和降落过程中，高升力装置产生的缝翼噪声是机体空气动力噪声的重要来源。过去几十年中，基于国内外大量的风洞实验和数值模拟，提出了许多减少缝翼噪声的措施。
本文通过数值模拟分析了带有三种不同波状壁处理的缝翼周围的气流场、噪声源及其详细特性，并使用Ffowcs Williams-Hawkings方程计算了远场噪声传播。
结果表明，从空气动力学的角度来看，波状壁结构有效降低了阻力系数，同时保持了升力系数不变，从而提高了升阻比；在噪声方面，与典型的30P30N配置不同，没有任何一种后掠翼配置产生明显的谐波噪声；不同倾斜角度的波状壁结构可以减少缝翼装置的噪声高达3分贝；通过流动分析和涡流动力学分析，得到了增强升力的装置的流动特性和后掠效应。壁面声源分析表明，波状壁结构有效降低了缝翼区域的声源强度，特别是倾斜的波状壁结构对缝翼区域的剪切层结构有更显著的影响。
引言
随着全球航空交通的持续增长，飞机噪声已成为机场周边社区日益关注的环境问题，成为航空业可持续发展面临的主要挑战之一[[1], [2]]。国际民航组织（ICAO）相继发布了更严格的噪声认证标准，促使制造商和研究人员在飞行各个阶段致力于噪声 reduction。在进近阶段，当高升力装置被展开时，缝翼和襟翼产生的空气动力噪声成为机体噪声的主要来源，在某些频率范围内其声压水平与发动机噪声相当[3]。其中，由缝翼区域流动引起的宽带噪声尤为显著，主要来源于剪切层振荡、涡脱落和尾缘散射[[4], [5], [6]]。因此，开发有效的缝翼噪声降低技术对于满足未来的噪声法规和实现绿色航空至关重要[6]。
现代商用飞机通常采用后掠翼配置来延迟激波形成并提高巡航效率[7]。然而，翼后掠会在缝翼区域引入明显的三维效应，增加了噪声机制的复杂性[8]。与直翼相比，后掠翼上的流动包含法向和展向速度分量，这些分量会诱导出集体涡旋和次级流动结构[[9], [10]]。先前的研究表明，缝翼区域剪切层的不稳定性和辐射声场的特性与二维情况有根本不同[[11], [12]]。因此，在完全三维的后掠翼条件下，传统的二维噪声控制技术（如锯齿状结构和多孔材料）往往效果不佳，甚至可能产生负面影响[13]。因此，针对后掠翼配置的噪声降低策略需要新的方法来主动调节复杂的三维流动[14]。为了规范高升力空气动力学和气动声学研究，多元素30P30N机翼被广泛用作基准模型[[15], [16]]。基于这种配置的噪声控制研究通常分为主动控制和被动控制两类。主动控制方法（如等离子体执行器、合成射流和吹吸控制）可以实现显著的噪声降低，但存在系统复杂性、高能耗和可靠性有限的问题[[17], [18]]。相比之下，被动控制方法具有更简单和稳健的工程实现方式，包括钩状缝翼尖端、多孔材料、凹形整流罩和锯齿状边缘[[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]]。然而，这些方法大多是在二维流动假设下开发的，在实际的三维后掠翼环境中效果不足。
近年来，受座头鲸鳍状结构的启发，波浪形前缘或波浪形表面的生物启发概念在宽带噪声控制方面显示出巨大潜力[[26], [27], [28]]。研究表明，这种周期性几何形状可以破坏涡脱落的相干性，诱导反向旋转的顺流向涡旋，并增强剪切层混合，从而在更宽的频率范围内重新分配能量[[29], [30], [31], [32], [33]]。例如，Chen和Yang[29]对波浪形圆柱体的研究清楚地表明，这种几何配置可以有效破坏涡脱落的相干性，从而抑制流动引起的噪声。此外，Chen和Yang[30]直接提出了一种基于缝翼壁处理的降噪方法，证实了将被动控制概念应用于缝翼区域复杂流动环境的可行性。更重要的是，波浪形几何结构诱导的涡旋结构与后掠翼流动中的集体涡旋之间可能产生非线性相互作用，从而改善三维流动组织，实现“三维流动的协同控制”[[34], [35]]。因此，将波浪形表面处理应用于后掠高升力装置的缝翼区域结合了被动方法的简单性和可靠性以及三维流动调节能力，展现了强大的工程潜力[36]。先前的研究通过实验测量和数值模拟研究了缝翼噪声和噪声控制策略。混合CFD/CAA方法也被广泛用于连接非稳态流动模拟和声辐射建模。DLR的R. Ewert及其同事的贡献，包括RPM方法和基于APE的公式，为宽带机体噪声预测和源分析提供了系统框架[[37], [38], [39], [40]]。
在此背景下，本研究旨在解决以下科学和工程问题：(i) 缝翼区域波浪形壁处理是否能够有效降低实际后掠30P30N高升力配置的空气动力噪声；(ii) 波状结构的倾斜角度如何影响流动动力学、声辐射和空气动力性能。为此，在缝翼区域壁面上实施了具有系统变化倾斜角度的被动波浪形表面控制策略。目标是量化在不降低升力特性的情况下可实现的噪声降低程度，并在所研究的设计集中确定一个在空气动力性能和气动声学效益之间具有较好折中的倾斜趋势。本研究的结果有望为复杂高升力系统中实际被动噪声控制措施的设计提供基于物理的指导。
数值方法
控制方程是三维可压缩Navier-Stokes方程。模拟使用了基于高分辨率有限体积方法的内部非结构化网格CFD求解器。采用混合RANS-LES[[41], [42], [43], [44]]方法来解析大尺度结构，同时模拟小尺度湍流运动，然后将非稳态数据作为输入用于声学类比方法，以预测远场观察者处的噪声辐射。对流通量是
模型描述和网格生成
30P30N配置是一个代表性的空气动力学和气动声学基准模型，其缝翼和襟翼的偏转角度均为30°。基于经典的30P30N配置，设计了一个后掠三元素翼模型作为基准几何形状，如图2所示。后掠翼是通过展向挤压生成的，展向长度等于根弦长(Croot=0.457m)，后掠配置的平均空气动力弦长(MAC)为0.343m。
空气动力性能
研究了波状壁参数对四种配置空气动力性能的影响。表6总结了四种翼配置的预测空气动力性能，需要注意的是，阻力系数的负值表示由于局部压力效应而产生的类似推力的贡献。所有情况下的总升力系数几乎相同，表明整体升力生成能力保持一致
结论
本研究在30P30N后掠高升力配置的缝翼区域应用了波浪形壁处理，使用hybrid IDDES-FW-H框架评估其空气动力和气动声学效果。这里得出的结论仅适用于所研究的特定后掠配置和运行条件。
缝翼区域波浪形壁处理的引入仅对空气动力特性产生了微小的变化。在测试的配置中，升力系数
数据可用性
支持本研究发现的数据可向相应作者提出合理请求后获得。
未引用的参考文献
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CRediT作者贡献声明
Jiamin Xie：撰写——原始草稿、方法论、研究。Xiaoquan Yang：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、资金获取。Jue Ding：监督、方法论。Peifen Weng：监督、方法论。Lihua Wang：监督、方法论。
