縫翼流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與低頻窄帶噪聲形成特性研究

王紅建, 張巧

(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 陜西 西安 710072)

飛機(jī)起降過程中，前緣縫翼是機(jī)體噪聲的重要噪聲源之一[1]。縫翼噪聲頻譜主要分為：寬帶、低頻窄帶和高頻窄帶等。普遍認(rèn)為，高頻窄帶噪聲是縫翼尾緣渦脫落引起的；寬帶噪聲則與剪切層周期性撞擊壁面有關(guān)；Khorrami等[2]認(rèn)為加速通過縫道區(qū)域的對(duì)流渦是產(chǎn)生低頻窄帶噪聲的主要原因；Hein等[3]認(rèn)為低頻窄帶噪聲與聲共振有關(guān)；而Imamura等[4]將低頻窄帶噪聲與剪切層的非定常振蕩和縫道區(qū)域的不穩(wěn)定性聯(lián)系起來；由此可知，各學(xué)者對(duì)低頻窄帶噪聲的產(chǎn)生機(jī)理仍有爭(zhēng)議。

為明確縫翼低頻窄帶噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過相關(guān)研究。K?nig等[5]結(jié)合大渦模擬(LES)和聲擾動(dòng)方程(APE)求解遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，發(fā)現(xiàn)低頻窄帶噪聲(1～3 kHz頻率范圍內(nèi))集中在縫道區(qū)域；且其噪聲由縫翼尾緣與主翼之間的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生；Terracol等[6]采用RANS和LES方法模擬兩段翼中縫翼凹腔區(qū)域的非定常流動(dòng)和噪聲輻射，發(fā)現(xiàn)凹腔中的反饋回路是產(chǎn)生離散低頻噪聲的原因；并在Rossiter等[7]研究基礎(chǔ)上完善了低頻窄帶噪聲的預(yù)測(cè)模型，但其渦結(jié)構(gòu)在剪切層上勻速運(yùn)動(dòng)的假設(shè)較為理想化。

POD和DMD方法的提出對(duì)縫翼低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理的研究具有重要意義。Souza等[8-9]使用POD方法分析低頻窄帶噪聲對(duì)應(yīng)頻率的主要流動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)窄帶噪聲的幅值由剪切層再附著區(qū)及縫道加速流控制；而縫翼凹腔區(qū)域的流動(dòng)主要與剪切層非定常脈動(dòng)有關(guān)。進(jìn)一步采用湍動(dòng)能和壓力脈動(dòng)范數(shù)進(jìn)行POD分析，發(fā)現(xiàn)大尺度渦結(jié)構(gòu)與噪聲頻譜主要峰值頻率相聯(lián)系。渦結(jié)構(gòu)通常與剪切層非定常振蕩有關(guān)，其壓力脈動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的相關(guān)性很高。而湍動(dòng)能與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的相關(guān)性不大，但在使用壓力內(nèi)積求解POD模態(tài)時(shí)，無法消除模擬產(chǎn)生的背景壓力脈動(dòng)，這會(huì)顯著影響POD模態(tài)，使其對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)特性存在一定差異。隨后，陳鵬等[10]采用DDES方法獲得兩段翼流場(chǎng)特性，利用POD方法研究縫翼周圍的壓力脈動(dòng)與噪聲輻射的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)再附著區(qū)與主翼前緣是遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射的關(guān)鍵區(qū)域，且主模態(tài)由加速流穿過縫道區(qū)域的對(duì)流渦引起，表明主要噪聲源位于縫道區(qū)域；此外，魏佳云等[11]采用LES方法研究了兩段翼中的縫翼噪聲，并通過DMD發(fā)現(xiàn)低頻噪聲源于剪切層中大尺度渦結(jié)構(gòu)與縫翼尾緣下壁面的周期性撞擊效應(yīng)。至今，各學(xué)者對(duì)低頻窄帶噪聲機(jī)理的研究仍未達(dá)成一致，因此，有必要進(jìn)一步研究縫翼低頻噪聲的產(chǎn)生與傳播機(jī)理。

本文基于30P-30N翼型，采用DDES方法(瞬態(tài)延時(shí)脫體渦模擬)和FW-H聲類比方程分析獲得縫翼周圍流場(chǎng)和噪聲的基本分布特性；然后利用POD和DMD方法，抽取瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合傅里葉變換(FFT)，研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的頻譜特性；最后利用EMD和互相關(guān)分析技術(shù)，建立低頻窄帶噪聲與流場(chǎng)模態(tài)結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，以揭示其產(chǎn)生機(jī)理。

1 仿真模型與結(jié)果分析

1.1 網(wǎng)格劃分

本文采用30P-30N高升力幾何構(gòu)型進(jìn)行研究。縫翼結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，仿真模擬的自由來流條件與試驗(yàn)條件一致，如表2所示。

表1 縫翼結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 流場(chǎng)模擬工況

1.2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算方法

多段翼網(wǎng)格(圖1)節(jié)點(diǎn)總數(shù)約1 000萬,第一層網(wǎng)格到壁面距離滿足黏性無量綱尺度與DDES方法對(duì)邊界層網(wǎng)格的要求[12]。遠(yuǎn)場(chǎng)邊界位于翼型收緊前緣點(diǎn)50倍弦長(zhǎng)處,其單位展向長(zhǎng)度為Δz=1.98×10-3C,計(jì)算域展向尺度滿足縫翼流場(chǎng)的非定常模擬計(jì)算要求[13]。

圖1 模型CFD計(jì)算網(wǎng)格

1.3 仿真模型驗(yàn)證與結(jié)果分析

基于上述模型仿真結(jié)果,對(duì)比JAXA[14]實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖2),可知二者的翼型表面壓力系數(shù)吻合較好,初步驗(yàn)證本文流場(chǎng)仿真方法的準(zhǔn)確性。

圖2 壓力系數(shù)對(duì)比

瞬態(tài)展向渦量見圖3。對(duì)比文獻(xiàn)[15]可知,本文仿真結(jié)果與粒子圖像測(cè)速法(PIV)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[15]基本一致,較準(zhǔn)確地捕捉到剪切層的發(fā)展過程,進(jìn)一步驗(yàn)證本文瞬態(tài)流場(chǎng)分析的正確性。

圖3 瞬態(tài)展向渦ωzc/U∞

相鄰渦結(jié)構(gòu)及其與壁面之間的相互作用是縫翼噪聲產(chǎn)生的主要原因。本文采用Q準(zhǔn)則云圖進(jìn)行渦結(jié)構(gòu)的可視化分析。圖4顯示了縫翼渦結(jié)構(gòu)的整體發(fā)展過程。由圖可知,隨著自由剪切層的向后發(fā)展,渦結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大改變,其發(fā)展規(guī)律與劉超群等[16]的關(guān)于分離氣流中渦結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展規(guī)律類似,即剪切層上渦結(jié)構(gòu)從Λ渦演變?yōu)榘l(fā)卡渦,且卡渦含有較大能量,這是縫翼剪切層發(fā)展的重要特征,并會(huì)對(duì)噪聲源的形成起到關(guān)鍵作用。

圖4 Q準(zhǔn)則瞬態(tài)展向渦量圖

回流區(qū)含有大量低能量的離散渦,這些渦與剪切層相互耦合,一方面對(duì)再循環(huán)區(qū)域中渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;另一方面也增強(qiáng)了剪切層的不穩(wěn)定性,使得剪切層中下游區(qū)域中的渦呈現(xiàn)大量混亂的結(jié)構(gòu)形式,因此該區(qū)域是瞬態(tài)流場(chǎng)行為特征的主要集中區(qū)。剪切層與尾緣壁面撞擊區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中,含有大量撞擊形成的離散渦,其中一些渦結(jié)構(gòu)在縫道加速氣流的作用下,發(fā)生了強(qiáng)烈變形,這種渦結(jié)構(gòu)短時(shí)內(nèi)的形狀變化會(huì)導(dǎo)致局部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)能量的劇變,也是縫翼低頻窄帶噪聲形成的重要方式。

圖5為縫翼典型位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)分布圖。觀察發(fā)現(xiàn)中低頻范圍內(nèi),縫翼尾緣處點(diǎn)(P4)和主翼前緣點(diǎn)(P5)壓力脈動(dòng)水平遠(yuǎn)高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn),這也反映出縫翼尾緣不穩(wěn)定發(fā)卡渦的能量脈動(dòng)及其與主翼前緣的相互作用;圖3顯示P4、P5展向渦量較小,說明這兩處的壓力脈動(dòng)并非來自展向渦,進(jìn)一步說明發(fā)卡渦的能量脈動(dòng)相對(duì)較大,也是窄帶噪聲輻射的重要原因之一;而P2和P3點(diǎn)主要在凹腔回流區(qū),其壓力脈動(dòng)則相對(duì)較低。

圖5 縫翼凹腔內(nèi)部近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜

分析遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲時(shí),選擇以收緊翼型前緣點(diǎn)為圓心,翼型10倍巡航弦長(zhǎng)為半徑,于290°方向設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。采用Welch方法分析頻譜,遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜(見圖6)中出現(xiàn)3個(gè)主要的窄帶峰值(1 343,1 984,2 653) Hz,這與BANC Ⅲ[17]中所預(yù)測(cè)的結(jié)果基本一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文噪聲預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性。

圖6 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜

2 低頻窄帶噪聲機(jī)理研究

POD和DMD[18]方法可抽取瞬態(tài)流場(chǎng)的主要特征,對(duì)探究大尺度渦與低頻窄帶噪聲輻射的內(nèi)在機(jī)理具有重要意義。研究表明[10],前緣縫翼周圍的壓力脈動(dòng)水平與其遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射密切相關(guān)。POD和DMD方法可將瞬態(tài)流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)序列分解為流場(chǎng)特征模態(tài)。選取主要流動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析,研究其特征模態(tài)的能量構(gòu)成及其頻譜特性。

2.1 基于POD方法分析窄帶噪聲產(chǎn)生機(jī)理

2.1.1 POD方法

POD方法可識(shí)別流場(chǎng)中含能最大的模態(tài),對(duì)高階動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行降維處理。具體操作方法為:提取各時(shí)刻流場(chǎng)的壓力值,整個(gè)壓力場(chǎng)p(x,t)分解為基本流動(dòng)和壓力脈動(dòng)量p′(x,t)疊加。將離散時(shí)刻流場(chǎng)提取的N個(gè)快照,排列成快照矩陣A

A=[p′(x,t1),…,p′(x,tN)]

(1)

由于該模型中,切片上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)(m=304 989)遠(yuǎn)大于快照個(gè)數(shù)(n=1 000),因此本文采用SPOD[19]方法進(jìn)行后續(xù)求解。首先求解中間矩陣C=ATA;可根據(jù)中間矩陣的特征值(λ)和特征向量(V),得POD的模態(tài)(Φ)和模態(tài)系數(shù)(a)為

Φ=AV

(2)

a=ATΦ

(3)

根據(jù)公式(4)可得各階模態(tài)占總模態(tài)能量的累計(jì)百分比。

(4)

式中：n代表特征值數(shù),EM表示前M階模態(tài)的能量占比之和。

2.1.2 POD分解結(jié)果分析

圖7為POD前50階模態(tài)特征值,其中第一階模態(tài)約占總模態(tài)能量的98%,第二階模態(tài)約2%,而第四階之后其模態(tài)能量低于0.1%。選取總模態(tài)能量占比99.9%的前四階模態(tài)進(jìn)行分析。

圖7 POD特征值

圖8為具有代表性第一、三階模態(tài)的壓力云圖。圖中看到,第一階模態(tài)捕捉到壓力動(dòng)態(tài)主要在剪切層下游及碰撞區(qū)。顯示出這些區(qū)域是該模態(tài)能量的集中區(qū),也是主要噪聲源。相比于第一階模態(tài),隨后各階模態(tài)的正負(fù)壓力脈動(dòng)區(qū)域明顯增大,而其脈動(dòng)間隔尺度有較大程度地減小;模態(tài)壓力分布的主要區(qū)域在靠近尾緣的剪切層沿線上。

圖8 一、三階POD模態(tài)

與此同時(shí),第三階模態(tài)云圖中縫翼凹腔和剪切層路徑上也存在不同強(qiáng)度的壓力脈動(dòng)區(qū),但其模態(tài)能量較弱,所對(duì)應(yīng)的噪聲源強(qiáng)度也較弱。因POD模態(tài)(具有寬頻特性)不能反映窄帶頻率特征,故下面利用DMD方法對(duì)流場(chǎng)特性進(jìn)一步分析。

2.2 基于DMD方法分析低頻窄帶噪聲機(jī)理

2.2.1 DMD方法

DMD方法可求解特定頻率下,模態(tài)對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。具體方法為:將上述流動(dòng)快照分為兩組X和Y:

X=[p′(x,t1),…,p′(x,tN-1)]

(5)

Y=[p′(x,t2),…,p′(x,tN)]

(6)

則滿足Y≈A*X,其中X可分解為

X≈UΣV*

(7)

式中，U,V均為酉矩陣,即U*U=I,V*V=I。

A=YVΣ-1U*

(8)

(9)

Ψ=YVΣ-1W=UW

(10)

本文采用Ψ=UW表示DMD的模態(tài)。在確定特征值后,可根據(jù)DMD模態(tài)求解特征頻率和模態(tài)增長(zhǎng)率

μi=lg(Wi)/Δt

(11)

μi實(shí)部表示DMD模態(tài)增長(zhǎng)率,虛部表示特征頻率。

2.2.2 DMD分解結(jié)果分析

DMD模態(tài)特征值分布見圖9。可知圖中特征值絕大部分在單位圓上,部分在單位圓內(nèi),該分布對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 DMD模態(tài)特征值

按照模態(tài)振幅αi=W-1UHp′(x,t1)對(duì)不同頻率模態(tài)排序。第一階模態(tài)為靜態(tài)模態(tài),之后模態(tài)成對(duì)出現(xiàn)(共軛模態(tài))。選取DMD前九階模態(tài)進(jìn)行分析,并對(duì)2～3、6～7階模態(tài)云圖展開介紹,見圖10,其中低模態(tài)對(duì)應(yīng)于低頻。DMD第二～三階模態(tài)的壓力脈動(dòng)主要集中在尾緣渦碰撞區(qū);而第六～七階模態(tài)壓力脈動(dòng)區(qū)域沿剪切層擴(kuò)散。從而證明低頻窄帶噪聲源主要在縫翼尾緣附近,而較高頻率聲源則更多地與縫翼凹腔和剪切層渦結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。

圖10 DMD模態(tài)(2對(duì)共軛模態(tài))

圖8a)POD第一階模態(tài)(具有寬頻特性)也表現(xiàn)出尾緣區(qū)域壓力脈動(dòng)的分布特征,而該模態(tài)的寬頻特性似乎說明尾緣渦碰撞區(qū)并非只包含低頻噪聲,該區(qū)域在一定程度上也包含高頻噪聲分量,但其強(qiáng)度相對(duì)較弱。

POD與DMD壓力模態(tài)云圖是流場(chǎng)壓力瞬態(tài)變化特征的解構(gòu),在一定程度上反映了縫翼聲源的分布。然而,必須注意到,流場(chǎng)壓力脈動(dòng)與聲壓傳播是有一定差別的;其原因就是有相當(dāng)大的壓力脈動(dòng)能量并沒有輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)。為了進(jìn)一步探索縫翼低頻窄帶噪聲源的分布特征,本文對(duì)原始瞬態(tài)壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,濾除高頻和對(duì)低頻窄帶貢獻(xiàn)較小的成分,并利用相關(guān)性分析,探討縫翼窄帶噪聲源的分布特征。

2.3 低頻窄帶噪聲源分布

本文在剪切層與縫道區(qū)域分別設(shè)置17和5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖11),首先從流場(chǎng)分析中獲得這些點(diǎn)的瞬態(tài)壓力幅值;然后利用相關(guān)性與傅里葉變換分析,建立剪切層與縫道區(qū)域聲源分布規(guī)律。剪切層總長(zhǎng)S=2.20C,縫道總長(zhǎng)為T=0.035C。

圖11 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及排列順序

圖12為剪切層(奇數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn))和縫道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻譜,其中1 343,1 984與2 653 Hz峰值頻率對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)的前3個(gè)峰值。S17在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均具有最大的頻譜幅值,而與其相近的S15、S13和S11等點(diǎn)的頻譜幅值逐漸降低。S13頻譜具有特殊性,其前2個(gè)峰值與相鄰點(diǎn)的頻譜幅值變換規(guī)律呈現(xiàn)明顯差異,而S13正是處于剪切層渦結(jié)構(gòu)的驟變區(qū)域;同時(shí),縫道區(qū)域中的T1-T5與S15、S17點(diǎn)則具有類似的窄帶頻譜特性。

圖13為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)縫翼遠(yuǎn)場(chǎng)前2個(gè)窄帶峰值的頻譜值。該圖橫坐標(biāo)為縫翼凹腔與縫道典型位置。從左向右為:P2,P1,S1～S17,P3,P4,T1～T5,P5等。可以看出,在縫翼尾源的P4點(diǎn),剪切層后段S16,S17點(diǎn),以及主翼前緣P5點(diǎn),其2個(gè)峰值譜值均較大,說明窄帶噪聲源與這些位置密切相關(guān);據(jù)此可推斷出噪聲源主要集中在縫道區(qū)域。

圖13 前2個(gè)峰值各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力頻譜幅值

為了對(duì)窄帶噪聲源特性進(jìn)一步分析,利用EMD方法,對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P4, P5,S16,S17,T3-T5)的源噪聲信號(hào)進(jìn)行分解,獲得其本征模態(tài)函數(shù)(IMF)分量;然后采用低通重構(gòu)方法去除對(duì)窄帶噪聲影響較小的高頻IMF分量,并將IMF分量幅值較低的濾除掉。相關(guān)步驟如下:

1) 對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲進(jìn)行EMD分解,獲得各點(diǎn)IMF分量;

2) 計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中每個(gè)IMF分量與其原始信號(hào)的相關(guān)系數(shù)ρimfi(t)(i表示第i個(gè)IMF分量);

4) 基于步驟3)中保留的IMF分量,進(jìn)一步選取那些幅值較大的分量(選擇Ai>2,Ai表示第i各IMF分量的振幅);

5) 將最終保留的IMF進(jìn)行信號(hào)重構(gòu),即將選擇的IMF分量和殘差(rn)累加獲得新信號(hào)x′(t)

(12)

新生成的信號(hào)x′(t),主要含有與低頻窄帶噪聲相關(guān)的信息。下面對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x′(t)進(jìn)行相關(guān)性分析,以此揭示窄帶噪聲的分布特性。

為了確定低頻噪聲源的分布形式,將上述各點(diǎn)重構(gòu)信號(hào)分別與特征點(diǎn)P4(頻譜幅值較大點(diǎn))進(jìn)行互相關(guān)分析,以獲得各點(diǎn)的互相關(guān)函數(shù)與特征延遲時(shí)間。結(jié)合圖17和壓力脈動(dòng)頻譜(圖5和圖12),可發(fā)現(xiàn):

1) P3與P4相關(guān)函數(shù)值較大,但其曲線較平直,這是P3頻譜幅值較小所致。P4較P3有延遲,顯示P3處于剪切層渦流與縫翼尾緣碰撞形成的湍流微團(tuán)核心區(qū)域中,其脈動(dòng)較小,非聲源點(diǎn)。而P4為大尺度渦碰撞后的壓力脈沖及離散渦結(jié)構(gòu),其中渦結(jié)構(gòu)的驟變存在能量轉(zhuǎn)換及釋放,對(duì)流場(chǎng)影響較大,并會(huì)導(dǎo)致噪聲輻射;

2) T4與P4呈弱相關(guān),顯示出該點(diǎn)與尾緣區(qū)域具有不同的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。T5與P4相關(guān)性較強(qiáng),但流場(chǎng)結(jié)構(gòu)卻存在差異,P4主要為大渦結(jié)構(gòu),而T5則為小渦或?qū)恿骰旌辖Y(jié)構(gòu),同時(shí)T5還受到與P4之間狹縫共振的影響;

3) P5雖與P4相關(guān)性較低,而其相關(guān)函數(shù)規(guī)律則與之相似,同時(shí)具有正延遲,反映出主翼前緣點(diǎn)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)雖與縫翼尾緣不同,但卻受到尾緣脈動(dòng)的直接影響;

4) S16,S17與P4均表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性。S16對(duì)P4延遲為負(fù),而S17對(duì)P4延遲為正,同時(shí)S16與P3延遲相近,因而在模態(tài)密集區(qū)各點(diǎn)脈動(dòng)規(guī)律呈現(xiàn)較為復(fù)雜的特性。但由頻譜及相關(guān)性分析可知,S16,S17及P4的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性是低頻窄帶噪聲產(chǎn)生的主要原因。同時(shí)S16區(qū)域部分渦卷入低速回流區(qū),也將P3區(qū)域的離散渦脈動(dòng)能量帶入回流區(qū)。

上述特征點(diǎn)是根據(jù)縫翼流場(chǎng)典型位置確定的,未必能完全表示低頻噪聲源區(qū)域。下面將探索性地利用特征點(diǎn)延遲時(shí)間進(jìn)一步分析聲源位置的分布特征。

假設(shè)S(x,y,z)為聲源點(diǎn),Ri為監(jiān)測(cè)點(diǎn),τij為Ri和Rj的延遲時(shí)間(τij=τi-τj),τi代表S到Ri的聲傳播時(shí)間。因此有關(guān)系式:(cτi)2=(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2,其中,c表示聲速。建立方程組,求解可得噪聲源位置(見圖14)。

圖14 主要噪聲源位置示意圖

由圖14可知，噪聲源主要分布在碰撞區(qū)、剪切層下游、縫道以及部分回流區(qū)。其中，碰撞點(diǎn)附近的剪切層區(qū)域聲源較密集。對(duì)比DMD模態(tài)云圖，發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得聲源點(diǎn)主要集中在模態(tài)云圖中壓力脈動(dòng)較大的區(qū)域；同時(shí)，在縫道以及主翼前緣均有聲源分布，而該結(jié)果與KONIG等[5]的研究結(jié)論基本一致。這也反映出低頻窄帶噪聲與剪切層上渦結(jié)構(gòu)周期性撞擊壁面引起縫翼尾緣與主翼邊界層之間的壓力脈沖有密切關(guān)系。

根據(jù)相關(guān)性分析及聲源位置分布規(guī)律可知，剪切層下游與壓力脈動(dòng)頻譜峰值點(diǎn)呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)，對(duì)低頻窄帶噪聲輻射水平影響較大；因此可基于剪切層干擾的思想提出縫翼尖端變形等技術(shù)進(jìn)行縫翼降噪方法的研究。課題組后續(xù)將展開縫翼前緣結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行縫翼降噪的研究。

3 結(jié) 論

本文利用POD和DMD方法分析縫翼瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，并基于EMD法和相關(guān)性分析研究了低頻窄帶噪聲的分布規(guī)律。主要結(jié)論有：

1) POD第一階模態(tài)區(qū)域顯示，約98%的模態(tài)能量主要集中在縫翼尾緣碰撞區(qū)附近，該區(qū)域是噪聲產(chǎn)生的重要區(qū)域，其頻率組成具有寬頻特性；

2) DMD各階模態(tài)特征表明，低頻窄帶聲源不僅集中在縫翼尾緣附近區(qū)域，在剪切層下游，以及回流區(qū)也存在分布較廣的低頻窄帶聲源；

3) 結(jié)合EMD分解與互相關(guān)分析，低頻窄帶噪聲源不僅存在于特征模態(tài)脈動(dòng)較大區(qū)域，縫道及主翼前部區(qū)域也存在噪聲源分布。該結(jié)論表明，剪切層撞擊縫翼尾緣壁面所形成的離散渦與主翼前緣邊界層相互耦合是低頻窄帶聲源產(chǎn)生的重要原因。在此基礎(chǔ)上，可基于剪切層干擾的思想提出新的縫翼降噪方法。