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电磁力控制翼型水动力噪声机理及作用方式研究

刘永伟 王璐 秦麒凯 郑朋辉 商德江

刘永伟, 王璐, 秦麒凯, 郑朋辉, 商德江. 电磁力控制翼型水动力噪声机理及作用方式研究[J]. 声学学报, 2023, 48(6): 1227-1239. doi: 10.12395/0371-0025.2022041
引用本文: 刘永伟, 王璐, 秦麒凯, 郑朋辉, 商德江. 电磁力控制翼型水动力噪声机理及作用方式研究[J]. 声学学报, 2023, 48(6): 1227-1239. doi: 10.12395/0371-0025.2022041
LIU Yongwei, WANG Lu, QIN Qikai, ZHENG Penghui, SHANG Dejiang. Mechanism of the electromagnetic force to control hydrodynamic noise from an airfoil model and its action mode[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(6): 1227-1239. doi: 10.12395/0371-0025.2022041
Citation: LIU Yongwei, WANG Lu, QIN Qikai, ZHENG Penghui, SHANG Dejiang. Mechanism of the electromagnetic force to control hydrodynamic noise from an airfoil model and its action mode[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(6): 1227-1239. doi: 10.12395/0371-0025.2022041

电磁力控制翼型水动力噪声机理及作用方式研究

doi: 10.12395/0371-0025.2022041
基金项目: 水声技术重点实验室稳定支持项目(SSJSWDZC2018005)和黑龙江省自然科学基金项目(JJ2019LH1082)资助
详细信息
    通讯作者:

    秦麒凯, qinqikai91@gmail.com

  • PACS: 43.30, 43.60

Mechanism of the electromagnetic force to control hydrodynamic noise from an airfoil model and its action mode

  • 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。

     

  • 图 1  开环条件下电磁力控制翼型水动力噪声示意图

    图 2  翼型施加电磁力的计算结果

    图 3  电磁力强度沿法向变化

    图 4  块搭接源区示意图

    图 5  声场计算域网格示意图

    图 6  翼型在施加电磁力前后的三维涡量云图 (a) 原始翼型; (b) 施加电磁力翼型

    图 7  原始翼型与施加电磁力后翼型的声压云图 (a) 500 Hz/原始; (b) 500 Hz/电磁力; (c) 1500 Hz/原始; (d) 1500 Hz/电磁力

    图 8  声压监测点位置

    图 9  翼型表面监测点声压级(1/3倍频程分析) (a) 监测点1; (b) 监测点2; (c) 监测点3; (d) 监测点4

    图 10  原始翼型与施加电磁力翼型的辐射声功率

    图 11  翼型在不同频率下的振动模态 (a) 400 Hz; (b) 746 Hz

    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) ${Re} = 5 \times {10^6}$

    图 15  不同攻角条件下原始翼型的湍动能云图 (a) α = 0°; (b) α = 5°; (c) α = 10°

    图 16  不同攻角条件下施加电磁力翼型的湍动能云图 (a) α = 0°; (b) α = 5°; (c) α = 10°

    图 17  在不同攻角下原始翼型与施加电磁力翼型的辐射声功率 (a) α = 0°; (b) α = 5°; (c) α = 10°

    图 18  不同电磁作用参数下翼型的尾部湍动能云图 (a) N = 0; (b) N = 0.5; (c) N = 1; (d) N = 4; (e) N = 10

    图 19  施加不同电磁作用参数电磁力的翼型辐射声功率 (a) 电磁作用参数N为0, 0.5, 1.0; (b) 电磁作用参数N为0, 4, 10

    图 20  附带电极与磁极的翼型模型(左)及在循环水槽中测试(右)

    图 21  原始翼型与施加电磁力翼型的脉动压力 (a) 数值计算; (b) 试验测量

    图 22  不同电磁作用参数下翼型脉动压力 (a) 0~200 Hz; (b) 200~2000 Hz

    图 23  不同位置施加电磁力前后翼型的辐射声功率

    图 24  不同位置施加电磁力前后翼型的辐射声功率

    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 × 10552.252.8−0.6
    Re = 1 × 10668.265.32.9
    Re = 5 × 106110.8110.10.7
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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°110.8110.10.7
    α = 5°109.8106.63.2
    α = 10°98.196.71.4
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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 = 0.568.266.91.3
    N = 168.265.32.9
    N = 468.264.63.6
    N = 1068.269.0−0.8
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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4.51~4.813.0%~3.5%1.02~1.07
    试验溶液5.073.8%1501.04
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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)
    0.480.0011580.00048300.001255
    0.720.0029990.0007150.003083
    0.960.0018260.0009630.002064
    1.180.0014980.0011780.001906
    1.380.0018930.0013860.002346
    1.560.0015860.0015610.002225
    1.970.0030070.0019750.003598
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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 = 0.5698.997.51.4
    N = 1.0698.997.71.2
    N = 1.5998.996.52.4
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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 = 0.5686.882.34.5
    N = 1.0686.883.53.3
    N = 1.5986.881.25.6
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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110.8110.10.7
    前半部包覆110.8106.64.2
    转捩区包覆110.8102.28.6
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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 = 1109.8106.63.2
    两侧半包覆, N = 1109.8104.85.0
    吸力面转捩区包覆, N = 1109.8103.76.2
    两侧转捩区包覆,
    N = 1, N = 1
    109.8104.55.3
    两侧转捩区包覆,
    N = 1, N = 0.25
    109.898.411.4
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-17
  • 修回日期:  2022-12-05
  • 刊出日期:  2023-11-02

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