搜索萌萌的猫头鹰背后的故事：寂静杀手让我们学到流体力学的秘密
2017-05-01 by:CAE仿真在线 来源:互联网
气流噪声是一个经常困扰着工程师的问题。对于现代的喷气式飞机,发动机喷射出的气流、流过机翼和起落架的气流都是强烈的噪声源。飞机的噪声对居住在机场周围的居民的生活造成了很大的影响,带来潜在的健康威胁(诱发高血压~不是闹着玩的)。另一个例子是风扇的噪声,如电脑散热风扇或空调、电风扇的噪声,也常常是令人烦恼的。
我要搞事
将电风扇的扇叶拆掉,电风扇转起来会变得非常安静。如果你不信,拿家里的电风扇试试!这说明扇叶的气流噪声在电风扇噪声中占的比例很大。
最近,科学家和工程师们从猫头鹰身上找到了灵感。今年3月,在美国航空航天学会(AIAA)的期刊AIAA Journal上,来自弗吉尼亚理工、剑桥大学等几所高校的研究者报道了他们对猫头鹰进行仿生研究的结果[1]。他们受到猫头鹰翅膀上的绒毛的启发,在一个机翼的后缘安装了类似的装置,并在风洞中对机翼进行了吹风实验。他们发现,这种装置可以使得机翼后缘的噪声强度显著减小。
图1 猫头鹰 图片来源:Wikipedia
图2猫头鹰的翅膀 图片来源:http://www.barnowlbox.com
与其他鸟类相比,猫头鹰飞行的时候非常安静。猫头鹰一般在夜间捕猎;在黑夜的掩蔽下,再加上寂静无声的飞行,使得猫头鹰成为了鸟类中赫赫有名的掠食者。通过多年的研究,人们认为猫头鹰安静的飞行主要得益于其翅膀上的三个重要的特征:一是翅膀前缘的像梳子一样的刚毛(图3(a));二是翅膀后缘的多孔且富有弹性的穗状构造(图3(b));三是覆盖在翅膀表面的很细的绒毛(图3(c))。(为了说明猫头鹰翅膀上的羽毛的特征,图3中还将猫头鹰的翅膀和秃鹰进行了比较。)
图3猫头鹰翅膀和秃鹰翅膀的比较 图片来源:文献[3]
(a,d)前缘;(b,e)后缘;(c,f)翅膀表面
在猫头鹰翅膀特征的启发下,研究者设计了两种用于机翼后缘的降噪装置,一种是翼刀状装置,另一种是栏杆状装置。(图5)
图4 机翼的后缘。机翼的剖面为流线型,具有尖锐的后缘。 图片来源:Wikipedia
图5用于机翼后缘的降噪装置 图片来源:文献[1]
(a)翼刀状装置;(b)栏杆状装置
研究者将机翼安装在气动声学风洞中,对这两种降噪装置的效果进行了研究。他们还仔细研究了降噪装置的几何参数(间隔spacing、延伸长度extension、厚度thickness、高度height、直径diameter)的影响。图6是一个典型的实验结果;可以看出加了降噪装置(treated)的机翼,其后缘的噪声强度与没有加降噪装置的机翼(clean)相比,在2~5千赫的频率范围之内有明显的下降,最大的降幅可以达到10分贝。
图6一个典型的实验结果 图片来源:文献[1]
图7 风洞中的机翼 图片来源:文献[1]
通过对实验结果的分析,研究人员推测这两种装置降噪的机理是改变了机翼表面上湍流边界层的结构。众所周知,当气流流过机翼的时候,在机翼前缘附近形成的是层流边界层,当离开前缘一定距离、边界层的厚度增加到一定数值的时候,层流流动就变成不稳定的,继而在下游转捩为湍流边界层。在湍流中,存在着尺度范围很宽广的涡结构。图8是瑞典皇家理工学院的研究者使用直接数值模拟的方法对NACA4412机翼上的流动进行计算的结果,以动画的形式展示了湍流边界层中的涡结构。湍流中非定常涡结构导致的脉动应力正是产生噪声的原因。翼刀状装置或栏杆状装置的加入,使得湍流边界层在翼展方向(简称展向)被分割成若干个较小的区域,这样,就压制了涡结构在展向的尺度;研究人员推测这就是这两种降噪装置的作用机理(图9)。
图8 机翼表面的湍流边界层 视频来源:美国物理协会APS Gallery of fluid motion 2015
这是采用直接数值模拟(Direct Numerical Simulation)的计算结果,也就是说,不使用任何的湍流模型,而是直接算出湍流中各个尺度范围的涡结构。
你也想算算这个?哈哈,人家划分了3200000000个网格单元,在Cray-XC40 超级计算机上用16384核算了3个月!
图9翼刀状装置压制了涡结构在展向的尺度:翼刀状装置的加入,使得涡结构在展向的最大尺度只能达到红色箭头所示的程度,而尺度更大的涡结构(如像绿色箭头所示)则被抑制。
作者感谢北京航空航天大学宇航学院的研究生衣然。她阅读了本文的初稿并提出了宝贵的意见。
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参考文献
[1] Ian A. Clark, W. NathanAlexander, William Devenport, Stewart Glegg, Justin W. Jaworski, Conor Daly,and Nigel Peake. "Bioinspired Trailing-EdgeNoise Control", AIAA Journal, Vol. 55, No. 3 (2017), pp. 740-754.
[2] Hermann Wagner et al. “Features of owl wingsthat promote silent flight”, Interface focus, 7:20160078
[3] Kun Chenet al. “The Sound Suppression Characteristics of Wing Feather of Owl (Bubobubo)”, Journal of Bionic Engineering, Vol. 9, (2012), pp. 192-199
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