【风扇降噪专题】翼型噪声“T-S 声波”
本文摘要：（由ai生成）
本文探讨了翼型表面流动机理和T-S声波现象在飞机机翼和轴流风扇噪声控制中的应用。逆压梯度下流体粘性作用导致湍流和大尺度漩涡，是翼型噪声的基本机理。T-S声波描述了声波与湍流的相互作用。为避免T-S声波循环，飞机机翼增加扰流器，而轴流风扇则通过叶片表面制作台阶来降噪。实验证明，此方法可有效降噪1~2dB。此外，汽车天窗和侧窗的风振现象也涉及T-S声波机理。综上，T-S声波控制技术对噪声控制具有重要意义。
图1显示翼型上侧表面流动漩涡发展轨迹，前缘边界层内层流边界层逆压梯度（dp/dx）小于零，由于流体粘性作用速度会沿着壁面法向逐渐的增大。随着翼型截面的变化，逆压梯度（dp/dx）逐渐增大并在某个临界位置摆脱流体粘性束缚形成湍流，这个时候法向速度会在近壁区形成回流，与主流方向正好相反。随着湍流的发展接下来就会在翼型的后半部分形成大尺度漩涡，彩图非常清晰的显示了这个过程。
整个翼型表面流动机理如图2 所示，前缘表面附近主要是层流边界层，中部是层流演化为湍流过渡段，尾缘附近是湍流区。在尾缘附近速度脉动急剧增强，其中一部分能量转化成声波向空间传播。这就是翼型在均匀来流下噪声源最基本的机理。
尾缘产生的声波在空间四周传播，声波扰动的能量可以促进前缘附近的层流转化成湍流，激发的湍流发展到尾缘附近又会补充当地声波能量。声波与湍流之间如此反复作用，在翼型表面就形成了一个声激励与声传播的循环过程（Feedback loop），这个过程产生的声场在频谱上表现为一组离散的峰值频率。Prandtl 首次提出这个现象，当时也没有多少人相信。1930年，Tollmien 和Schlichting研究并论证了Prandtl的设想，学术界也就命名为T-S 声波。
T-S声波真是刷新了本人关于湍流与声波之间相互关系。可能很多人理所当然认为湍流中的漩涡是产生声波的激励源，但是很少会想到微小的声波能量还可以反作用于湍流的发展。两者在翼型流场中循环作用并形成一组固定频率的声场，听起来好似上帝有意散布的神话。当然作者右脑想象力有限，T-S声波的原理讲解还是不够清晰，来一张基于DNS计算得到的T-S声波三维图片。
T-S声波会影响飞机机翼在某些工况下的升力和阻力，因此机翼上表面通常会增加一列扰流器来避免湍流和声波之间形成Loop。图5所示为一种扰流器处理方法。
EBM在十年前就开始研究Turbulator在轴流风扇上降噪应用。首先通过叶片表面流线分布得到层流向湍流转化位置，此处称作T-S激发线。然后对应在叶片表面制作台阶来破坏此处的T-S声波循环。注意当前轴流风机的T-S激发线靠近叶片尾缘位置。
为了评估不同Turbulator台阶深度对噪声的影响，如图7搭建了参数化建模、XFlow 噪声计算和NSGA优化算法进行快速寻优设计。这套流程建立后，也可以进行其他方向的快速优化设计，后期相关专题会再次引用。
优化设计的实测结果如图8所示，Turbulator 在无量纲风量系数0.15~0.25内均可以达到降噪效果，降噪幅度1~2dB。
EBM 官网中3250J 轴流风机采用了Turbulator设计，介绍材料表明Turbulator可以使风机风量上升~3%，噪声下降4dBA。说明Turbulator是一个非常好的降噪方案。
汽车天窗和侧窗风振现象也包含了T-S声波的机理。湍流产生的声波与车厢发生赫姆霍兹共振，共振声波会激发上游湍流产生同频率的声波来补充共振频率的声波能量，形成T-S 循环。PowerFlow计算的瞬态结果形象的展示了这个过程。
来源：懿朵科技
