搜索萌萌的貓頭鷹背后的故事：寂靜殺手讓我們學(xué)到流體力學(xué)的秘密
2017-05-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
氣流噪聲是一個經(jīng)常困擾著工程師的問題。對于現(xiàn)代的噴氣式飛機,發(fā)動機噴射出的氣流、流過機翼和起落架的氣流都是強烈的噪聲源。飛機的噪聲對居住在機場周圍的居民的生活造成了很大的影響,帶來潛在的健康威脅(誘發(fā)高血壓~不是鬧著玩的)。另一個例子是風(fēng)扇的噪聲,如電腦散熱風(fēng)扇或空調(diào)、電風(fēng)扇的噪聲,也常常是令人煩惱的。
我要搞事
將電風(fēng)扇的扇葉拆掉,電風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來會變得非常安靜。如果你不信,拿家里的電風(fēng)扇試試!這說明扇葉的氣流噪聲在電風(fēng)扇噪聲中占的比例很大。
最近,科學(xué)家和工程師們從貓頭鷹身上找到了靈感。今年3月,在美國航空航天學(xué)會(AIAA)的期刊AIAA Journal上,來自弗吉尼亞理工、劍橋大學(xué)等幾所高校的研究者報道了他們對貓頭鷹進行仿生研究的結(jié)果[1]。他們受到貓頭鷹翅膀上的絨毛的啟發(fā),在一個機翼的后緣安裝了類似的裝置,并在風(fēng)洞中對機翼進行了吹風(fēng)實驗。他們發(fā)現(xiàn),這種裝置可以使得機翼后緣的噪聲強度顯著減小。
圖1 貓頭鷹 圖片來源:Wikipedia
圖2貓頭鷹的翅膀 圖片來源:http://www.barnowlbox.com
與其他鳥類相比,貓頭鷹飛行的時候非常安靜。貓頭鷹一般在夜間捕獵;在黑夜的掩蔽下,再加上寂靜無聲的飛行,使得貓頭鷹成為了鳥類中赫赫有名的掠食者。通過多年的研究,人們認為貓頭鷹安靜的飛行主要得益于其翅膀上的三個重要的特征:一是翅膀前緣的像梳子一樣的剛毛(圖3(a));二是翅膀后緣的多孔且富有彈性的穗狀構(gòu)造(圖3(b));三是覆蓋在翅膀表面的很細的絨毛(圖3(c))。(為了說明貓頭鷹翅膀上的羽毛的特征,圖3中還將貓頭鷹的翅膀和禿鷹進行了比較。)
圖3貓頭鷹翅膀和禿鷹翅膀的比較 圖片來源:文獻[3]
(a,d)前緣;(b,e)后緣;(c,f)翅膀表面
在貓頭鷹翅膀特征的啟發(fā)下,研究者設(shè)計了兩種用于機翼后緣的降噪裝置,一種是翼刀狀裝置,另一種是欄桿狀裝置。(圖5)
圖4 機翼的后緣。機翼的剖面為流線型,具有尖銳的后緣。 圖片來源:Wikipedia
圖5用于機翼后緣的降噪裝置 圖片來源:文獻[1]
(a)翼刀狀裝置;(b)欄桿狀裝置
研究者將機翼安裝在氣動聲學(xué)風(fēng)洞中,對這兩種降噪裝置的效果進行了研究。他們還仔細研究了降噪裝置的幾何參數(shù)(間隔spacing、延伸長度extension、厚度thickness、高度height、直徑diameter)的影響。圖6是一個典型的實驗結(jié)果;可以看出加了降噪裝置(treated)的機翼,其后緣的噪聲強度與沒有加降噪裝置的機翼(clean)相比,在2~5千赫的頻率范圍之內(nèi)有明顯的下降,最大的降幅可以達到10分貝。
圖6一個典型的實驗結(jié)果 圖片來源:文獻[1]
圖7 風(fēng)洞中的機翼 圖片來源:文獻[1]
通過對實驗結(jié)果的分析,研究人員推測這兩種裝置降噪的機理是改變了機翼表面上湍流邊界層的結(jié)構(gòu)。眾所周知,當(dāng)氣流流過機翼的時候,在機翼前緣附近形成的是層流邊界層,當(dāng)離開前緣一定距離、邊界層的厚度增加到一定數(shù)值的時候,層流流動就變成不穩(wěn)定的,繼而在下游轉(zhuǎn)捩為湍流邊界層。在湍流中,存在著尺度范圍很寬廣的渦結(jié)構(gòu)。圖8是瑞典皇家理工學(xué)院的研究者使用直接數(shù)值模擬的方法對NACA4412機翼上的流動進行計算的結(jié)果,以動畫的形式展示了湍流邊界層中的渦結(jié)構(gòu)。湍流中非定常渦結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的脈動應(yīng)力正是產(chǎn)生噪聲的原因。翼刀狀裝置或欄桿狀裝置的加入,使得湍流邊界層在翼展方向(簡稱展向)被分割成若干個較小的區(qū)域,這樣,就壓制了渦結(jié)構(gòu)在展向的尺度;研究人員推測這就是這兩種降噪裝置的作用機理(圖9)。
圖8 機翼表面的湍流邊界層 視頻來源:美國物理協(xié)會APS Gallery of fluid motion 2015
這是采用直接數(shù)值模擬(Direct Numerical Simulation)的計算結(jié)果,也就是說,不使用任何的湍流模型,而是直接算出湍流中各個尺度范圍的渦結(jié)構(gòu)。
你也想算算這個?哈哈,人家劃分了3200000000個網(wǎng)格單元,在Cray-XC40 超級計算機上用16384核算了3個月!
圖9翼刀狀裝置壓制了渦結(jié)構(gòu)在展向的尺度:翼刀狀裝置的加入,使得渦結(jié)構(gòu)在展向的最大尺度只能達到紅色箭頭所示的程度,而尺度更大的渦結(jié)構(gòu)(如像綠色箭頭所示)則被抑制。
作者感謝北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院的研究生衣然。她閱讀了本文的初稿并提出了寶貴的意見。
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參考文獻
[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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