基于大涡模拟的锯齿尾缘翼型流动分析及气动噪声预测

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1、基于大涡模拟的锯齿尾缘翼型流动分析及气动噪声预测(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：黄乾指导教师:左志钢助理研究员二○一五年六月ANumericalStudyoftheFlowaroundAirfoilswithSerratedTrailingEdgesandtheAerodynamicNoiseBasedonLargeEddySimulationThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofSci

2、enceinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyHuangQianThesisSupervisor:AssistantResearchFellowDr.ZuoZhigangJune,2015摘要摘要中低雷诺数下，翼型尾缘音调噪声往往很强烈，实际工程中有很多机械设备工作在这一雷诺数下。目前有实验表明，仿生锯齿尾缘可以抑制中低雷诺数下翼型的音调噪声。但锯齿对翼型流动结构以及噪声源的影响有待进一步探究，以加深对锯齿尾缘降噪机理的认识，并指导低噪声叶片设计。5本文对Re1.610，攻角为6的NACA-0018翼型流动进行了数值模拟研c

3、究，设计了两种波长相等、长度不同的尾缘锯齿。采用分区RANS-LES方法进行流场计算，LES亚格子模型采用壁面自适应当地涡粘模型（WALE），RANS区采用SSTk湍流模型，壁面附近网格达到中等分辨率LES要求。并通过基于Lighthill声类比的FW-H方程预测了气动噪声。计算工况下，翼型绕流具有以下特征：吸力面层流边界层在前缘xC/0.1附近分离，在中间弦长位置再附着为湍流边界层，分离泡长度约0.2C；吸力面尾缘附近湍流强烈；尾缘锯齿对吸力面上游边界层的发展基本没有影响。压力面上，短锯齿翼型A1的边界层发展与原始翼型A0相似，其层流边界层在xC/0.49附近分离；长锯齿A

4、2的边界层在xC/0.55附近分离；尾缘压力面处于过渡状态分离区内。非稳态计算结果表明，原始NACA-0018翼型的升力、阻力呈现周期性变化，波动频率约为2270Hz；锯齿尾缘翼型A1及A2的升阻力不具有明显的周期性。瞬时流场分析表明，翼型A0尾缘压力面的旋涡及正涡量的脱落导致了升力的周期性波动；锯齿尾缘翼型A1和A2尾缘处脱落的正涡量结构破碎得更加迅速。对翼型周围流动结构及非稳态特征的分析表明，翼型A2尾缘处内切的长锯齿提供了纵向流动发生的通道，锯齿内部形成顺时针旋转的旋涡；来自吸力面的强湍流得以在更上游位置与来自压力面的流动汇合掺混，使得尾缘压力面回流区及尾迹剪切层内的湍流增强，

5、推迟了压力面边界层的分离，形成的回流区范围更小。由此影响了尾缘上涡量周期性脱落的过程，破坏了尾缘附近压力波动的周期性，进而减弱了整个翼型壁面附近的脉动压力。通过本文分析可见，在计算工况下，尾缘内切的长锯齿改变了尾缘压力面附近的流动结构，具有抑制翼型音调噪声的潜力。基于FW-H方程的气动噪声预测表明，长锯齿抑制了尾缘纯音噪声，降低了尾缘噪声总声压级。关键词：翼型；锯齿尾缘；尾缘噪声；降噪；大涡模拟IAbstractAbstractTrailing-edgetonalnoiseofairfoilsisstrongunderlowtomoderateReynoldsnumberconditi

6、on,atwhichalotofmachinesoperateinengineeringapplications.ThebionicserratedtrailingedgehasbeenfoundtohavetheabilitytoreducetheairfoilaerodynamicnoisewhentheReynoldsnumberishigh,alsoafewexperimentshaveindicatedthatserrationsonthetrailingedgehavethepotentialtocontrolthetonalnoiseunderlowtomoderateR

7、eynoldsnumber.Theeffectsintroducedbytheserrationsontheflowandthenoisesourcearoundairfoilsarestilltobefurtherinvestigated,soastounderstandthemechanismofnoisereductionassociatedwiththeserratedtrailingedgeandprovideinstructions