飞机翅膀 & 叶尖噪声

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叶尖顾名思义，就是叶片最边缘位置。叶尖噪声的描述就以飞机机翼来开篇了。如图1多数飞机机翼末端会向上翻折，这里翻折的区域就是叶尖了。

图1 飞机叶尖不同处理形式

01、叶尖涡机理

机翼在飞机飞行状态，下表面压力高于上表面，两者之差就是飞机升力的主要来源。机翼末端位置上下表面压差会使流体从下表面翻转到上表面，在这个过程当中形成漩涡，称为叶尖流动分离，或者叶尖涡。

图2 叶尖涡形成机理

叶尖涡给机翼带来明显的阻力，为此通常将叶尖处理成图1形状，称为翼梢小翼。翼梢小翼在几十年前已经出现，但一直不引人注意，大多数乘客可能从未花时间思考它们的用途何在，以及它们是怎样诞生的。

特科姆在20世纪70年代设计出了翼梢小翼，此前他观察到鸟类在进行大幅度爬升时，会将翼尖的羽毛朝上，由此他获得了设计的灵感。在测试中，惠特科姆的理论得到了验证。翼梢小翼能减少20%的阻力，从而节省6%到7%的燃料，同时不会给飞机增加太多的重量。翼梢小翼可以拦住沿着机翼流动的气流，减少翼尖旋风的发生。此外，当旋转的气流打在小翼表面时，一部分风力还能转化为推动力。

图3 不同叶尖形式漩涡示意图

02、叶尖噪声控制

叶尖涡是轴流风机噪声的噩梦，因为轴流风机叶尖在叶片径向位置最顶端，因此当地旋转速度最高，对应的叶尖噪声往往是轴流风机噪声主要来源。图4所示为发动机冷却风扇对应的漩涡分布，可见叶尖位置漩涡分布最广泛。

图4 发动机冷却风扇叶尖涡

很多轴流风机参照翼梢小翼进行叶尖设计，如图5所示为EBM电子散热轴流风机采用翼梢小翼设计，声学测试结果在较大流量下可能实现降噪~1dB。

图5 电子散热轴流风扇降噪

2014年，卢布尔大学在一款通风轴流风扇上应用上述技术，测试结果显示翼梢小翼能够抑制200Hz以上的宽频噪声，总声压级噪声下降3~5dB。

图6 工业通风轴流风扇降噪

翼梢小翼是一种比较成熟，而且降噪效果很广泛的设计，因此很多风机都采用该技术。

图7 轴流风扇翼梢小翼应用

03、叶尖噪声精细研究

2017年EXA和德国EBM联手基于实验和PowerFlow模拟计算叶尖噪声。如图所示实验中选取了NACA5510翼型制作展长和弦长均为200mm，叶尖附近多处压力传感器实测结果与PowerFlow仿真结果一致，从而验证仿真结果可靠性。

图8 叶尖涡测试装置

图9所示为不同叶尖间隙对应的叶尖涡分布（上图）以及噪声源分布（下图）。漩涡首先在叶片前缘产生并逐渐向下游发展扩张，但是噪声源主要分布在叶片尾缘下游，说明叶尖涡主要在尾缘下游破碎并形成漩涡。

图9 叶尖涡与对应噪声源分布

对比三者频谱分布发现5mm和10mm声压级相对0mm在整个频谱范围内剧烈上升，然而5mm和10mm两者之间声学频谱差异并不明显。对比结果表明，首先叶尖涡是一种宽频噪声，其次叶尖涡总声压级在一定的间隙范围内不会表现明显的差异。

图10 不同叶尖间隙噪声频谱对比

2016年，锡根大学研究了轴流风机在不同叶尖间隙下声学频谱属性。如图所示轴流风机转速3000rpm，两种不同间隙为3mm和0.3mm。为了保证0.3mm间隙下高转速风机叶片不会与管壁接触，需要非常精密的实验设备。

图11 轴流风机和测试示意图

测试结果显示叶尖间隙3mm声压级在整个频谱范围相对0.3mm上升~20dB，证明轴流风机叶尖噪声也是宽频噪声类型，与上述翼型结果表现一致。

图12 不同叶尖间隙噪声频谱对比

2018年，锡根大学提出在叶尖添加莱布尼茨密封结构，并基于验证过的LBM求解器PowerFlow分析对比三种不同方案对应的声学降噪效果。三种设计A、B、C如图13所示。

图13 三种莱布尼茨密封结构

仿真结果显示叶尖内添加莱布尼兹密封结构可以在0~2000Hz宽频内实现良好降噪效果，尤其对轴流风机叶片相互干涉引起的驼峰现象（自创，非专业术语）具有非常好的抑制作用。

图14 莱布尼茨密封结构噪声频谱对比

三种不同方案总声压级对比显示A方案在风机工作范围内降噪效果最明显，约为10dB；方案B和C降噪约为5dB，如图所示。各位风机设计或者噪声技术人员可以在规避专利情况下进行实际验证。

图15 莱布尼茨密封结构对总声压级影响

叶尖噪声是轴流风机最常见的噪声类型，在工程领域拥有非常丰富的降噪解决方案。然而该噪声只可以被科学的抑制，无法消除。。。

来源：独孤求静微信公众号，作者：独孤求静。