Mechanism of the electromagnetic force to control hydrodynamic noise from an airfoil model and its action mode
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摘要:
提出了施加电磁力于边界层实现流动控制和降低水动力噪声的方法。对未施加与施加电磁力后翼型模型的流场与声场进行数值计算, 结果表明: 流向电磁力可延缓翼型表面的流动分离, 抑制离散小涡生成, 减弱翼型表面的湍流脉动压力, 达到降低水动力噪声的目的。归纳了电磁力降低水动力噪声效果随雷诺数、攻角和电磁作用参数的变化规律, 同时在循环水槽中对电磁力控制翼型水动力噪声的效果进行试验验证。由于转捩区是翼型模型的压力最小区域且面积非常有限, 通过研究电磁力的作用方式, 发现只在转捩区施加电磁力, 即可达到最佳的降噪效果且减小了功耗, 并分析了磁泄露带来的影响。研究结果为抑制翼型的水动力噪声提供了一种新的思路。
Abstract:A method is proposed to control the flow and reduce the hydrodynamic noise by applying the constant electromagnetic force into the boundary layer. The flow and sound fields from an airfoil model with and without the electromagnetic force are calculated. Results show that along the flow direction, electromagnetic force can delay the flow separation on the airfoil surface, suppress small discrete vortices, reduce turbulent fluctuation pressure on the airfoil surface, and decrease the hydrodynamic noise. The change law of the hydrodynamic noise effect reduced by the electromagnetic force is summarized in terms of the Reynolds number, attack angle, and electromagnetic effective parameters. Based on the numerical calculation results, an actual model is experimentally measured in the water circulating tank to validate the abovementioned effect. Since the transition area pressure of the airfoil model is the lowest and the area is limited, the application of electromagnetic force into this area can achieve the lowest noise effect. The power consumption decreases and the effect of the magnetic leak is analyzed. The results provide a new method for the suppression of hydrodynamic noise in airfoil models.
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Key words:
- Airfoil model /
- Hydrodynamic noise /
- Electromagnetic force /
- Boundary layer separation
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图 12 不同雷诺数下原始翼型的湍动能云图及流线图 (a)
$Re = 5 \times {10^5}$ ; (b)$Re = 1 \times {10^6}$ ; (c)$Re = 5 \times {10^6}$ 
图 13 不同雷诺数下施加电磁力翼型的湍动能云图及流线图 (a)
$Re = 5 \times {10^5}$ ; (b)$Re = 1 \times {10^6}$ ; (c)$Re = 5 \times {10^6}$ 
图 14 不同雷诺数下原始翼型与施加电磁力翼型的辐射声功率 (a)
${Re} = 5 \times {10^5}$ ; (b)${Re} = 1 \times {10^6}$ ; (c)${Re} = 5 \times {10^6}$ 表 1 不同雷诺数条件下翼型与施加电磁力后翼型的辐射声功率及降噪量 (dB)
雷诺数 原始翼型 施加电磁力翼型 降噪量 Re = 5 × 105 52.2 52.8 −0.6 Re = 1 × 106 68.2 65.3 2.9 Re = 5 × 106 110.8 110.1 0.7 
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表 2 不同攻角条件下翼型与施加电磁力后翼型的辐射声功率及降噪量 (dB)
攻角 原始翼型 施加电磁力翼型 降噪量 α = 0° 110.8 110.1 0.7 α = 5° 109.8 106.6 3.2 α = 10° 98.1 96.7 1.4
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表 3 不同电磁作用参数条件下翼型与施加电磁力后翼型的辐射声功率及降噪量 (dB)
电磁作用参数 原始翼型 施加电磁力翼型 降噪量 N = 0.5 68.2 66.9 1.3 N = 1 68.2 65.3 2.9 N = 4 68.2 64.6 3.6 N = 10 68.2 69.0 −0.8
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表 4 试验溶液与海水的比较
介质 电导率 (Si/m) 质量分数 溶质质量 (kg) 密度 (g/cm3) 海水 4.51~4.81 3.0%~3.5% — 1.02~1.07 试验溶液 5.07 3.8% 150 1.04
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表 5 循环水槽流速标定的A类、B类及合成不确定度
LDV (m/s) UA (dB) UB (dB) U (dB) 0.48 0.001158 0.0004830 0.001255 0.72 0.002999 0.000715 0.003083 0.96 0.001826 0.000963 0.002064 1.18 0.001498 0.001178 0.001906 1.38 0.001893 0.001386 0.002346 1.56 0.001586 0.001561 0.002225 1.97 0.003007 0.001975 0.003598
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表 6 不同电磁作用参数条件下总脉动压力级(10~200 Hz) (dB)
电磁作用参数 原始翼型 施加电磁力翼型 减小量 N = 0.56 98.9 97.5 1.4 N = 1.06 98.9 97.7 1.2 N = 1.59 98.9 96.5 2.4
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表 7 不同电磁作用参数条件下总脉动压力级(200~2000 Hz) (dB)
电磁作用参数 原始翼型 施加电磁力翼型 减小量 N = 0.56 86.8 82.3 4.5 N = 1.06 86.8 83.5 3.3 N = 1.59 86.8 81.2 5.6
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表 8 翼型及不同位置施加电磁力后翼型的辐射声功率与降噪量(α = 0°) (dB)
施加电磁力位置 原始翼型 施加电磁力翼型 降噪量 全包覆 110.8 110.1 0.7 前半部包覆 110.8 106.6 4.2 转捩区包覆 110.8 102.2 8.6
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表 9 翼型及不同位置施加电磁力后翼型的辐射声功率与降噪量(α = 5°) (dB)
施加电磁力位置 原始翼型 施加电磁力翼型 降噪量 全包覆, N = 1 109.8 106.6 3.2 两侧半包覆, N = 1 109.8 104.8 5.0 吸力面转捩区包覆, N = 1 109.8 103.7 6.2 两侧转捩区包覆,
N = 1, N = 1109.8 104.5 5.3 两侧转捩区包覆,
N = 1, N = 0.25109.8 98.4 11.4
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