近日，由浙江大学叶青青、朱弈嶂、冯志祥，北京大学吕本帅，以及中国空气动力研究与发展中心范正磊、宋玉宝组成的研究团队，在流体力学期刊《Physics of Fluids》上发表了一项重要研究成果【1】。该研究通过3D打印技术，设计并实验验证了一种具有非均匀孔隙分布的尾缘插入材料，能够显著降低NACA 0018翼型的湍流边界层尾缘噪声，为实现更安静的飞行器与风力发电机提供了新的技术路径。湍流边界层与尖锐尾缘相互作用产生的噪声（TBL-TE噪声），是风力涡轮机、航空发动机等旋翼机械的主要噪声源之一。传统的均匀多孔材料虽能降噪，但常伴随低频涡脱落引起的单音噪声和高频粗糙度引起的额外噪声，且在较高气动载荷下性能会下降。如何实现宽频带、鲁棒的噪声抑制，一直是该领域的难点。本研究团队的核心创新在于，将均匀分布的孔隙，转变为沿气流方向（弦向）梯度变化的非均匀分布。他们利用3D打印技术精确制造了12种均匀模型和7种非均匀模型，系统研究了孔隙率、孔径、分布模式及弦向梯度对降噪效果的影响。实验表明，与均匀多孔尾缘相比，具有弦向递增孔隙率的非均匀设计，在保持约3dB最大降噪量的同时，带来了两大关键改进：首先，通过优化固体-多孔材料交界处的孔隙梯度，有效延迟甚至消除了由涡脱落引起的单音噪声；其次，通过平滑的孔隙过渡，显著减少了因表面粗糙度效应产生的高频噪声，从而大幅扩展了有效降噪的频带范围。其中，研究团队提出的一种基于Sigmoid函数的优化梯度模型，在固体-多孔交界处和尾缘尖端的孔隙度梯度为零，实现了在整个测试频率范围内的宽带噪声抑制，且在不同流速和攻角下性能表现更为稳定。研究不仅验证了非均匀多孔材料的优越性，还基于大量实验数据，建立了一个包含马赫数、孔隙率、攻角等参数的经验标度函数，可用于预测多孔材料的降噪频谱，为未来的低噪声尾缘优化设计提供了实用的理论工具。为准确确定有效攻角，研究团队在翼型两侧安装了航华PSU32电子压力扫描阀，用于测量-0.85至-0.40弦长范围内的表面静压分布。该设备以其高稳定性和快速同步采集能力，确保了静态压力数据的可靠性，为后续噪声数据分析与有效攻角的标定奠定了基础。该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持，其成果对于推动低噪声飞行器设计、绿色风电技术发展具有重要的科学与工程意义。作者朱弈嶂获航华奖学金。[1] YE Q, ZHU Y, FENG Z et al.， Trailing edge noise abatement of porous media with heterogeneous distribution[J]. Physics of Fluids, 2025, 37: 035128. DOI:10.1063/5.0256504.
