关于尾缘吹气对钝尾缘翼型气动及声学特性影响的实验研究报告
本研究由南方科技大学力学与航空航天工程系的Jing Guo（郭靖）、Reza Maryami、Jingsong Wang（王镜淞）、Xiaoning Wang（王小宁）、Zilun Xiang（向资论）以及通讯作者Yu Liu（刘宇）共同完成，其成果以研究论文形式于2024年7月2日发表在物理学领域权威期刊《Physics of Fluids》（第36卷，075112期）。该研究系统性地探究了一种主动流动控制方法——尾缘均匀空气吹气对一种特定钝尾缘翼型的气动性能与噪声特性的影响，旨在为风力发电机等应用中的高升力、低噪声翼型设计提供新的思路与实验依据。
在风能领域，为了提高结构效率并应对大型风力机叶片面临的重量挑战，钝尾缘（或称平背）翼型应运而生。这类翼型通过增加后缘厚度来提升最大升力系数和升力线斜率，但其钝厚的后缘也带来了两个显著缺点：由涡旋脱落（vortex shedding）引起的显著气动噪声和因底压降低而增加的气动阻力（即底阻）。过去的研究大多集中于圆柱或钝尾缘平板这类对称或简化模型上的涡致噪声机理及其控制方法，对于在风力机中实际应用的非对称、更复杂的钝尾缘翼型，相关研究相对匮乏。特别是，关于涡脱落如何具体影响这类翼型上下表面的压力脉动并进而产生远场噪声的机理，以及主动流动控制方法（如吹气）在此类翼型上的应用效果与机制，尚存在研究空白。
本研究旨在通过综合性的实验，填补上述空白。具体目标包括：1）实验研究尾缘均匀吹气对一种DU97-W-300改进型钝尾缘翼型的远场噪声和表面压力脉动的抑制效果；2）深入探究吹气如何改变翼型尾迹流场（包括边界层和近场涡结构），从而理解其降噪减阻的物理机制；3）通过对比分析翼型吸力面和压力面的响应差异，阐明非对称几何外形对吹气控制效果的影响；4）评估吹气技术在气动（升阻力）和声学（噪声）综合性能优化方面的潜力。
本研究在南科技大学的低速、开放射流式消声风洞中进行，采用了多物理场同步测量的综合实验方案，主要流程包括模型设计与准备、声学测量、表面压力测量以及基于粒子图像测速技术的流场测量。
第一步：实验模型与装置。 研究对象为一种由标准DU97-W-300翼型通过“厚度添加法”演变而来的钝尾缘翼型，后缘厚度为弦长的10%（绝对厚度h=20mm），弦长c=200mm，展长L=550mm。模型内部设计了气流通道，在尾缘基部的展向中心线上均匀布置了23个直径为1.4mm的吹气孔。吹气的强度通过吹气动量系数Cl进行量化，该系数定义为吹气注入的动量与来流动量之比。实验中，通过在翼型吸力面（SS）和压力面（PS）特定位置（分别为5%c和10%c）粘贴绊线，强制诱导边界层转捩，以确保流动状态的确定性。
第二步：声学测量。 远场噪声测量采用Brüel & Kjær 4966自由场传声器，位于翼型尾缘中心下游1.5米、相对于来流方向成90度极角的位置。测量了自由流速度U1在15至35 m/s范围内（对应基于弦长的雷诺数Re为1.9×10^5至4.4×10^5）、攻角α=4°和10°条件下，不同吹气动量系数Cl时的声压信号。数据采样频率为216 kHz，通过加汉宁窗的Welch方法计算功率谱密度（PSD），以获得噪声频谱，重点关注涡脱落引起的单音噪声（tonal noise）及其变化。
第三步：表面压力测量。 这分为稳态压力分布测量和非定常压力脉动测量。稳态压力分布通过在翼型弦向布置的39个压力测点和尾缘基部的2个测点（Tap1和Tap2）获得，用于计算压力系数和底压。非定常表面压力脉动则通过安装在翼型内部、表面开有0.4mm微孔的20个Sonion 8002型表面传声器阵列进行同步测量。该阵列呈T形布局，分别在吸力面和压力面各布置10个，主要集中于靠近尾缘的区域。这些表面压力脉动数据与远场噪声信号同步采集，用于分析近场脉动与远场噪声之间的相干性（coherence）和相位关系，从而识别噪声源。
第四步：流场测量。 采用高分辨率平面粒子图像测速技术对翼型尾缘附近的流场进行可视化。由于翼型压力面几何形状的遮挡，测量分两个视场进行：一个覆盖吸力面及附近尾迹（FOV1），另一个覆盖压力面及附近尾迹（FOV2）。PIV测量在α=4°、Re=1.9×10^5的固定条件下进行，采样频率为2653 Hz。通过分析时间平均的涡量场、速度场，以及特定位置垂直速度脉动的功率谱，揭示了吹气对边界层发展、剪切层失稳位置、涡旋形成区以及尾迹结构的影响。
数据处理与分析流程：声压和表面压力数据主要进行频谱分析（PSD）、相干性分析和相位谱分析，以建立近-远场声学关联。PIV数据则用于计算平均流场（如平均涡量、平均速度）和统计量（如速度脉动PSD），并将流场结构与声学、表面压力测量结果进行关联和机理阐释。本研究的一个特色在于将声学、表面压力脉动和流场测量有机结合，形成了从“激励源”（涡脱落流场）到“结构响应”（表面压力脉动）再到“辐射输出”（远场噪声）的完整证据链分析。
1. 吹气对远场噪声的影响。 实验证实，无吹气（基线状态）时，翼型在特定斯特劳哈尔数St≈0.2处产生显著的涡脱落单音噪声，其声压级与来流速度的六次方成比例，符合典型的涡致噪声特征。施加尾缘吹气后，在一定的Cl范围内（约Cl<0.1），单音噪声的峰值声压级随Cl增大而显著降低，最大降幅可达约15 dB。然而，与先前在对称的钝尾缘平板上观察到的单音噪声能被完全抑制不同，本研究的钝尾缘翼型即使在较高Cl下，单音噪声仍残留且不再进一步降低。此外，吹气对宽频噪声的抑制效果有限。这初步暗示了翼型非对称几何对吹气控制效果产生了制约。
2. 吹气对表面压力脉动及其与噪声关联的影响。 表面压力脉动频谱在相同的St≈0.2处也出现峰值，且其随Cl的变化趋势与远场单音噪声高度一致。相干性分析进一步确认，正是这些发生在涡脱落频率处的表面压力脉动，对远场单音噪声有主要贡献。深入分析发现：吸力面和压力面的表面压力脉动峰值均随Cl增大而降低；但二者的相干性与相位行为呈现差异。例如，吸力面上各测点间的流向相干性受吹气影响较小，而压力面上的相干性则在Cl增大到一定程度后显著减弱。相位谱分析表明，无论是吸力面还是压力面，靠近尾缘的测点压力脉动信号都领先于上游测点的信号。这有力地证明，表面压力脉动并非源自上游流动扰动向下游的对流，而是源于下游尾迹中涡旋形成与脱落过程对上游壁面产生的逆向压力扰动。吹气通过推迟涡旋的形成，减弱了这种逆向扰动，从而降低了表面压力脉动和远场噪声。
3. 吹气对气动特性的影响。 稳态压力测量显示，吹气对翼型整体的压力分布（即升力特性）影响甚微，但能显著提高尾缘基部的压力（即底压）。底压的提升意味着压差阻力的减小。值得注意的是，最大底压提升（即最佳减阻效果）所对应的Cl值，与单音噪声最大降幅所对应的Cl值基本吻合（在α=4°时约为Cl=0.081，在α=10°时约为Cl=0.038）。这一发现具有重要的工程应用价值，意味着可以通过单一的吹气参数优化，同时实现噪声和气动阻力（至少是底阻部分）的改善。
4. 吹气对流场结构的影响（机理揭示）。 PIV流场测量结果从物理机制上解释了上述现象。时间平均流场显示，吹气使得从吸力面和压力面分离的剪切层失稳和卷起位置向下游移动，导致回流区（recirculation region）延长。这意味着大尺度涡旋在距离翼基更远的下游才开始形成。这一变化直接导致两个后果：第一，涡旋对翼型壁面的逆向压力扰动减弱，这与表面压力脉动降低的结果相印证；第二，尾迹宽度和速度亏损发生变化，底压得以恢复，解释了减阻的原因。对垂直速度脉动功率谱的分析进一步证实，在吹气条件下，涡脱落频率处的强速度脉动区域（即涡旋活跃区）确实向下游偏移，并且在靠近壁面的区域，该频率的脉动能量被显著抑制。
5. 非对称几何的影响。 研究特别对比了吸力面和压力面对吹气响应的差异。流场显示，由于翼型压力面后部曲率较大，存在由逆压梯度引起的边界层分离，使得该侧的流动结构更为复杂。这导致吹气在压力面产生的效应（如相干性变化）与相对平直的吸力面不同。这也部分解释了为何吹气对钝尾缘翼型的整体降噪效果不如对称的钝尾缘平板——两侧不对称的流动发展使得吹气难以同时、同效地抑制两侧剪切层的涡脱落强度。
本实验研究系统论证了尾缘均匀吹气作为一种主动流动控制方法，在改善钝尾缘翼型气动声学和气动性能方面的有效性与物理机制。核心结论包括：1) 吹气能有效抑制钝尾缘翼型的涡脱落单音噪声并降低底阻，且最优降噪与减阻的吹气参数重合，为实现协同控制提供了可能；2) 降噪减阻的物理根源在于吹气将剪切层失稳和涡旋形成区推向下游，削弱了涡脱落对翼型壁面的逆向压力扰动，同时改变了尾迹结构、提高了底压；3) 翼型的非对称几何形状导致吸力面与压力面的流动响应不同，使得吹气的控制效果整体上弱于对称的钝尾缘平板模型，揭示了几何外形在流动控制设计中的重要性。
该研究的科学价值在于，首次对非对称钝尾缘翼型的尾缘吹气控制进行了集声学、表面压力与流场于一体的综合性实验探究，清晰地揭示了从流场调制到表面压力变化再到远场噪声辐射的完整物理链条，深化了对复杂翼型涡致噪声产生与控制机理的理解。其应用价值在于为风力机叶片等实际工程结构的低噪声、低阻力设计提供了一种可行的主动控制思路，并明确了控制参数优化的方向，即寻找可同时优化声学与气动性能的吹气工况。
研究在讨论部分与前期关于圆柱和钝尾缘平板的吹气研究进行了对比，凸显了本研究发现的特异性，强调了将基础研究发现向更复杂、更接近工程实际的模型推广时需考虑的新因素。此外，实验中对背景噪声、吹气自身噪声以及测量误差进行了评估和说明，保证了数据质量与研究结论的可靠性。最后，研究提出的方法（尾缘吹气）和揭示的机理（通过推移涡形成区来减弱表面偶极子声源）对于其他旨在通过抑制尾缘区域流动脉动来降噪减阻的被动或主动控制技术（如分离板、多孔材料、等离子体激励器等）也具有借鉴意义。