《Journal of Fluids and Structures》：Effect of poroelastic extensions on turbulent-boundary-layer trailing-edge noise
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摘要本研究探讨了一种受生物启发的控制策略，该策略结合了弹性和多孔性来减少尾缘扩展处的湍流边界层尾缘（TBL-TE）噪声。实验在NACA 0012翼型上进行，分别在没有迎角（基线情况）以及具有弹性或 porouselastic 尾缘扩展的情况下进行，所有扩展部分均由聚对苯二甲酸乙二
摘要
本研究探讨了一种受生物启发的控制策略，该策略结合了弹性和多孔性来减少尾缘扩展处的湍流边界层尾缘（TBL-TE）噪声。实验在NACA 0012翼型上进行，分别在没有迎角（基线情况）以及具有弹性或 porouselastic 尾缘扩展的情况下进行，所有扩展部分均由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成，具有相同的13%孔隙率，但孔径和排列方式不同。在无回声风洞中，使用远场麦克风进行声学测量，并结合了使用恒温热线风速计和高速粒子图像测速（PIV）技术对边界层和尾流进行了测量。弹性及 porouselastic 扩展结构在200Hz至2kHz的低频范围内实现了最大1-3dB的尾缘噪声降低效果，尤其在适中的来流速度下效果最为显著。热线测量显示，这些扩展结构在局部增加了边界层厚度和顺流方向的湍流，同时抑制了垂直于壁面的波动，减少了尾流亏损，并削弱了多尺度涡旋结构的对流，从而产生了更短、更窄的尾流。时间平均涡度场、湍流动能和速度功率谱表明，剪切层湍流仍是主要的流体动力噪声来源，但由于弹性及 porouselastic 扩展的作用，其在尾流区域的相干性和强度得到了减弱，降低了声散射效率。对于N15D40扩展结构，最大噪声降低幅度为1.45dB，而其他扩展结构的降低幅度则在0.5-1dB之间。总体而言，研究结果表明，在弹性尾缘结构中添加多孔性提供了一种有前景的生物启发式被动控制方法，能够有效降低宽带TBL-TE噪声，同时空气动力损失有限。
引言
由湍流流动产生的噪声是一种常见现象，与翼型的湍流边界层尾缘（TBL-TE）噪声密切相关。大多数TBL-TE噪声的主要来源也存在于风力涡轮机、船舶螺旋桨和旋翼机中（Brooks等人，1989年；Gruber，2012年；Zhang等人，2020年；Chaitanya等人，2020年）。过去几十年里，人们为减轻这种噪声并设计出更安静的飞行器付出了大量努力，这些努力受到了猫头鹰无声飞行的启发——猫头鹰拥有柔软细密的羽毛，使它们能够无声飞行（Gruber，2012年；Herr，2007a,b年；Avallone等人，2016年；Talboys等人，2018年；Talboys等人，2019年；Wanger等人，2017年；Jaworski和Peake，2013年；Jaworski和Peake，2020年）。
近年来，尾缘（TE）修改已成为减少翼型噪声的重要方法。这些修改包括在尾缘处添加锯齿（三角形或刷状）、使用多孔材料进行部分或整体结构改造、增加结构柔韧性或进行尾缘处理，以及采用多孔尾缘设计。在本研究中，将结构柔韧性与多孔尾缘处理相结合，以减少TBL-TE噪声。
Schlanderer和Sandberg（2013年）的研究证实，涉及结构弹性的尾缘处理也对噪声降低有效。通过直接数值模拟（DNS），他们研究了尾缘弹性对远场压力波动的影响，发现弹性作用的引入根据频率的不同可能会减弱或增强噪声。当激励频率与结构的固有频率不同时，可以显著降低噪声；然而，当两者吻合时，由于尾缘的弹性运动，反而会产生额外的噪声。频谱分析进一步显示，尽管局部噪声有所增加，但使用弹性尾缘处理总体上仍实现了噪声减少。Liu和Liu（2023年）在无回声风洞中使用柔性尾缘扩展装置对NACA 0012翼型进行了测试，以减少TBL-TE噪声。测试了两种弹性材料——聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚丙烯（PP），在零迎角和2.9 × 10^5至7.7 × 10^5的雷诺数范围内进行实验。声学结果显示，这两种材料在中频范围内有效降低了噪声，且噪声降低程度随来流速度的增加而增加。变形测量表明，噪声峰值与柔性条带的振动模式相对应。适当的正交分解（POD）分析证实，这些峰值在低速时与弯曲变形相关，在高速时则与弯曲和扭转模式共同作用。另一项研究（Liu等人，2022年）探讨了材料类型、条带长度和厚度对噪声的影响，雷诺数范围为2 × 10^5至1.2 × 10^6。结果表明，杨氏模量较高的材料降低了更多噪声。在PET、PTFE和PP中，PET材料在低频（600Hz以下）下的噪声降低效果最佳，条带长度为15毫米和30毫米时噪声降低了多达3.7dB。最大噪声降低幅度遵循功率谱密度?PSD～f^1.4的比例定律。较薄的弹性条带在其固有频率下容易振荡，因此在降低噪声方面效果较差。较长的弹性条带在更宽的频率范围内（500–1200Hz）降低了噪声，但会产生额外的低频噪声，这一趋势在不同流速下都存在。
Herr（2007a, 2007b）研究了NACA 0012翼型上的刷状尾缘扩展，发现由纤维材料制成的刷子（间距小于0.1毫米）在降低噪声方面最为有效。考虑到不同刷状扩展结构之间的尾缘厚度差异，在Strouhal数范围0.02–0.2内观察到宽带TBL-TE噪声降低了2–10dB（Herr和Dobrzynski，2005年）。Geyer等人（2010a）研究了多孔翼型尾缘产生的噪声，以气流电阻率作为主要设计参数。使用均匀的多孔材料，他们的实验结果表明，在中等流动电阻率下，多孔翼型在低至中频范围（4–10 kHz）内实现了最高达10dB的噪声降低。然而，在较高流动电阻率下，多孔翼型产生的噪声反而大于非多孔翼型，这是由于表面粗糙度的影响（Geyer和Sarradj，2019年）。Sudhakaran等人（2015年）在无回声风洞中进行了实验，研究了不同开口面积比例（15、36、45和72个缺口）对平板尾缘的影响。雷诺数范围为2.9 × 10^5 ≤ Re_c ≤ 4.06 × 10^5，迎角设置为零。他们的结果显示，在2500–8000 Hz的频率范围内，使用多孔尾缘平均降低了5dB的噪声。然而，在更高频率下产生了额外的噪声，这归因于多孔材料表面的粗糙度。
Kershner和Jaworski（2023年）借鉴猫头鹰无声飞行的原理，使用多孔板有效降低了尾缘钝化噪声。他们通过无量纲孔隙率参数对不同孔形和孔间距的板进行了实验测试。结果显示，高孔隙率板最多可降低20dB的噪声。具有圆形孔的板在去除频谱峰值方面更有效，尤其是在较高流速下。无论孔形或排列方式如何，孔隙率的增加都会由于表面粗糙度而产生更高的高频噪声。此外，在相同流动条件下，多孔板的边界层厚度、位移和动量厚度较小（Kershner等人，2024a）。Kershner等人（2024b）扩展了他们的研究，测试了三系列不同孔隙率分布的板——均匀分布、优化分布和随机分布。结果表明，具有均匀和随机分布孔的板显著降低了噪声；而具有优化孔间距的板效果较差。尽管在某些频率下整体效果良好，但多孔板在高频下可能会放大噪声，从而增加整体声压水平（Kershner等人，2024b）。
受到猫头鹰无声飞行及其羽毛特性的启发，类似的生物启发式概念被应用于减少空气动力噪声，特别是在航空航天领域的TBL-TE噪声问题上。Jaworski和Peake（2013）提出，通过结合弹性和多孔性可以实现显著的噪声降低。根据现有文献，弹性和多孔性都对噪声减轻有显著贡献。因此，本研究旨在将多孔性应用于弹性材料，以阐明弹性和多孔性对湍流边界层尾缘（TBL-TE）噪声减少的联合效应。实验设置和测量细节在第2节中描述。结果与讨论部分的最初小节中讨论了弹性及 porouselastic 扩展对TBL-TE噪声的影响及其相关的噪声降低机制。随后介绍了弹性及 porous扩展附近的边界层和流场特性，包括表面平均速度、湍流强度、涡度和湍流动能的影响。最后一个小节描述了弹性及 porous扩展的顺流和横向速度波动谱对尾流发展的影响。
章节片段
实验设置
实验在南汕理工大学提供的封闭式无回声风洞中进行。无回声腔体的尺寸为3.8 × 5.7 × 3.0立方米。风洞具有0.6 × 0.55平方米的开放式喷嘴。风洞的操作速度范围为10–70米/秒，当进流速度为50米/秒时，进流湍流强度低于0.15%。有关无回声风洞的更多细节可见（Yang等人）。
空气声学特性
在没有基线翼型的情况下，测量了无回声风洞中的背景噪声。背景噪声的来流速度范围为10至40米/秒。在进行测量之前，如图1所示，在风洞喷嘴的出口处安装了顶部和底部板。顶部和底部表面的所有自由孔洞、小腔体、接缝和粗糙边缘都用胶带密封，以防止外来噪声。
图3显示了功率
结论
本研究利用弹性和多孔性的组合作为尾缘扩展来减少湍流边界层尾缘（TBL-TE）噪声。实验在无回声风洞中的NACA 0012翼型上进行，研究了边界层特性和尾流特性。入射角设置为零度。测量了三种配置：基线情况（无扩展的翼型）、弹性扩展（0%）
资助
本研究得到了中国国家自然科学基金（资助编号：12272163）和广东省科学技术厅（资助编号：2023B1212060001）的支持。
CRediT作者贡献声明
Sanjay Kumar：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、方法论设计、数据分析、概念化。Lin Li：软件开发、数据分析。Jining Cai：软件开发、数据分析。Minrui Chen：软件开发、数据分析。Yu Liu：撰写——审阅与编辑、监督。
Sanjay Kumar|Lin Li|Jining Cai|Minrui Chen|Yu Liu
