双层空气幕漩涡演化特征及相关气动噪声产生机理研究

Dual-jet air curtain is a novel approach to controlling aerodynamic noise, which has the potential to solve the noise issue of the aircraft landing gear and the high speed train pantograph. The dual-jet air curtain, as two layers of planar jets in a subsonic crossflow, processes complex flow and acoustic fields. The interaction between the crossflow and the air curtains, and the interaction between the air curtains themselves, can induce 3D vortices in different scales. Once reacting with the flow field, these vortices will generate self-noise. To improve the air curtain efficiency and make it implemented, the flow and acoustic fields of the air curtain require investigating. This project uses both experiment and simulation to do the corresponding analysis and characterize the effects from different parameters. Moreover, the generation mechanism of the aerodynamic noise will be discovered, and the self-noise prediction model will be established with semi-empirical equation. Findings and conclusions of this project will contribute to the optimization of the noise reduction and lay theoretical foundation for the engineering application.

双层空气幕是一种气动噪声控制新概念技术，有望解决飞机起落架和高铁受电弓气动噪声问题。双层空气幕本质是亚声速横向来流内双层平面射流，流场与声场复杂，横向来流与气幕、气幕与气幕之间相互作用，诱发三维多尺度漩涡结构。该结构不断发展演化，伴随产生一定强度的自身噪声。为了提高空气幕降噪效果，尽快实现工程实用化，迫切需要澄清空气幕流场演化规律与自身噪声产生机理。本项目拟采用风洞实验与数值模拟相结合的研究手段，对双层空气幕漩涡结构三维演化特征进行系统深入研究，分析各项流动参数对该动态物理过程的影响规律，揭示双层空气幕自身噪声产生的流动机理，建立以半经验公式为核心的自身噪声预测模型。项目研究成果有助于优化双层空气幕降噪方案，为未来工程实践提供理论指导。

双层空气幕是一种气动噪声控制新概念技术，有望解决飞机起落架和高铁受电弓气动噪声问题。双层空气幕本质是亚声速横向来流内双层平面射流，流场与声场复杂，横向来流与气幕、气幕与气幕之间相互作用，诱发三维多尺度漩涡结构。该结构不断发展演化，伴随产生一定强度的自身噪声。为了提高空气幕降噪效果，尽快实现工程实用化，迫切需要澄清空气幕流场演化规律与自身噪声产生机理。.在国家自然科学基金青年项目（编号11902340）支持下，课题组对国内外空气幕技术、横向来流内射流流场/噪声研究进行了充分调研，严密制定了研究计划与技术路线。通过设计加工声学风洞双层空气幕实验台、开展LES数值模拟，项目内分析研究了双层气幕噪声特性、声源分布、流场演化规律，并建立了单层/双层平面射流及其在横向来流下的噪声预测模型。项目研究工作的开展为推动空气幕降噪技术发展提供了理论指导与技术支撑。具体的说，第一，对于噪声特性及声源分布，项目基于声学风洞实验数据，从双层空气幕自噪声声源分布特性及产生机理出发，研究发现了不同频段下空气幕喷口拐角、喷口下游与双喷口之间位置会成为主要噪声源，判断分别对应喷口产生的唇口偶极子噪声、气幕与来流之间相互作用的四级子噪声，以及两层气幕之间作用产生的四级子噪声。此外，针对不同参数下单层/双层空气幕，项目验证了其降噪能力，并对比分析了噪声控制效果。第二，针对双层空气幕流场演化规律，项目基于PIV流动显示与LES数值模拟，分析了双层空气幕对钝体噪声源的遮蔽效果，研究了气幕轨迹、侵入及气幕之间相互作用等关键流动现象。第三，基于消声室实验数据与射流噪声理论，项目首先发展了单层空气幕（单矩形射流）噪声预测模型，后拓展延伸建立了双层空气幕及其在横向来流内的噪声预测模型。在执行周期内，项目完成所有研究内容，实现了所有研究目标。依托课题支撑，共在国内外学术期刊或会议上发表学术论文9篇（均为第一标注），其中SCI检索2篇、EI检索2篇；申请软件著作权1项，受邀做大会报告1项，取得了全部预设研究成果。