民用客机增升装置气动噪声研究进展

张杰

摘 要：随着经济的快速发展，我国民用飞机的数量急剧增加，与此同时带来了很严重的航空噪音问题，引起了我国的高度重视。增升装置是重要的机体噪声源，它的流动复杂性和声源多样性，是我国噪声研究的重点内容。本文将进行民用客机增升装置的气动噪声研究，分析现阶段取得的成就，为后续降噪工作提供发展方向，助力我国尽快解决航空噪声问题。

关键词：民用客机;增生装置;气动噪声

最近的几十年间，民用客机的发展进入了繁荣期，由此产生的噪声问题为各个国家所关注。现阶段我们已经采取了很多措施對噪声进行控制，很多机场也制定了关于噪声的控制指标，要求严格，航空公司甚至把民用客机的噪声水平作为飞机采购的考虑重点，足见航空噪音问题的严重性。而增升装置作为重要的机体噪声源，我们不得不重视起来，进行深入、具体的分析，尽快解决噪声问题，这也是本文进行增升装置气动噪声研究的意义所在。

一、增生装置气动噪声的机理与特点

缝翼和襟翼是增生装置噪声源的两个组成部分。前者的噪声有两种，分别是宽带噪声和纯音噪声。飞行状态的好坏直接决定着噪音水平的高低。如，流速以及翼弦和流速之间的夹角。于实际尺寸的飞机而言，和缝翼噪声最大值时相对应的频率是一百到四百赫兹，处于这个范围内，虽然缝翼噪声为宽频，但是纯音的分布情况是非常强烈的。这里需要注意，一般情况下，受模型后缘厚度的影响，风洞的缩比模型实验中会出现高频的纯音，这种现象不会出现在真正的飞机上。流动状态随时间发生改变的流体，脱落于缝翼的后缘下表面，引起凹面涡震荡时，会导致低频纯音的出现。除此之外，来流的攻角、缝翼偏角也都是影响缝翼噪声的因素，且噪声水平与前者的大小存在反比关系，与后者的大小存在正比关系[1]。

结合已有的风洞试验研究结果来看，襟翼侧缘的噪声机制大体有以下两类。其一，侧缘涡、襟翼侧面、襟翼上端尖侧缘三者之间相互作用。这种噪声的机制主要出现在中等弦长处，或者是直至后缘的位置处。其二，汇合涡压力扰动、襟翼吸力的这一侧、襟翼上端尖侧缘三者之间进行相互作用导致噪声的产生。并且襟翼侧缘的噪声大小和襟翼的偏角大小存在着正比的关系。

增生装置的噪声特点大体可以总结为以下几点：噪声的生源是宽频的，并且分量多而均等，能够相互作用，在进行研究的时候，需要系统地对这些分量进行考量;噪声产生的机理有很多种，且各不相同;噪声的声源受当地流动的影响的同时，也能对当地的流动产生影响;噪声的声波和增生装置的结构之间也是相互作用的，但是这种相互作用比较复杂;气动噪声受影响于气动的布局设计，所以在进行气动的设计时，需要进行噪声约束，而这恰恰增加了气动设计的困难程度[2]。

二、增生装置气动噪声研究进展情况分析

（一）噪声机理研究方面的进展情况

外国的很多国家进行了有关民用客机增生装置气动噪声的研究，随着技术的发展和创新，可以对声源进行准确的定位，同时实现了对多种声源噪声水平的测量，打破了只能对总体噪声水平进行测量的瓶颈。随着越来越多先进技术的引入，噪声控制的研究人员可以更加深入地对噪声的机理进行了解和分析，甚至可以通过数值模拟实现对噪声的预测，给更多的噪声研究机构和部门带来了在噪声水平预测、降噪措施估测、噪声机理研究等方面的极大帮助。工业部门在噪声控制方面取得了也取得了很大的突破，在反复多次试验以后，研制出来了更加先进的噪声预测模型装置，可以在预测的时候反映出其产生的机理。另外，在后续工作的过程中，工业的这些部门，已经把气动噪声的水平情况列为重点参考标准，于降噪的研究发展而言是一个有效的措施[3]。

（二）降噪措施和低噪音布局设计方面的进展情况

通过研究资料，可以发现，现阶段已有的噪音控制方法有两种类型。第一种是通过对噪音的声源进行控制，从而实现降噪的目标，第二种方法是在声音传播出去以后，于传播的这个过程进行控制，通过改变噪声的传播方向和噪声的声音强度，实现对噪声的抑制。我们已经知道，飞机装置的噪声与流动结构存在着紧密地联系，所以第一种通过控制声源处进行噪声抑制的方法，是众多研究人员比较推崇的方法，并且在这方面进行了大量的研究实验。截至目前诸如多孔侧缘、侧缘栅栏等的降噪方法被广泛应用。

侧缘栅栏之所以能够取得很好的降噪效果，是因为它可以将剪切层的不稳定性降低，防止侧涡和上侧尖边缘之间进行相互的作用。另外，对涡汇合、涡核喷流、汇合涡与襟翼上表面以及边缘几者的相互作用情况也有很好的控制，在设计的过程中不论是栅栏的厚度，亦或是高度和形状等因素，都被考虑在内。小型梯形的微型片装置，还有因为从边角处脱落产生的涡，使得剪切层的厚度得到了增强，进而更加稳定。所以，实现了对非定常剪切层导致的噪声的有效控制。后缘的噪声在锯齿状后缘的作用下被抑制，使汇合涡和襟翼后缘受到的干扰被有效降低，在主动吹气的作用下，剪切层会被聚集成几个小涡，也能达到增强剪切层稳定性的效果。而且将双涡结构从固壁表面处移开，能够实现控制湍流与结构间相互作用的目的。

进行缝翼缝道内非定常流动的控制，能够让缝翼下表面填充物、声衬、流动控制等实现对缝翼噪声的控制。这些缝翼的填充物大多数情况下是在某种状态的流线形状基础上设计出来的。如果将装密封板放置在缝翼的尖端，可以实现对缝翼后面流动状态的显著改善，让噪声的辐射值被降低下来[4]。

低噪声的启动布局设计和增升装置的噪声控制具有同样重要的地位。波音和空客在设计增升装置气动的时候，需要同时做好各种外形的声学特性评估，以此获得能够同时满足高气动特性和低噪声水平的气动外形。经过大量的实验和研究，我们发现缩短缝翼缝道宽度的做法，虽然会导致最大生力系数的部分损失，但是可以有效地降低噪声。曾经有研究人员猜测，飞机如果可以低噪音完成着陆，那么于高升力的特性保持和进场速度的降低而言是非常大的帮助。如果我们选择使用微型的后缘装置，那么虽然会在一定程度上增大后缘的噪声，但是不可否认的是，能够保证在同等升力的前提下，实现对整个机翼噪声的降低。于前缘装置而言，在实现噪声显著降低的前提下，稍稍损失部分最大升力是能够让人接受的。在这样的情况下，我们可以选择对高性能的后缘装置和会稍微降低性能的前缘装置进行有效结合，以便实现在保证最高升力系数的基本不变的前提下，实现让飞机总噪声大大减弱的目标。而是否对缝道的前缘装置进行减少，则是研究人员设计时的一个选择。像缝隙滑轨、除冰孔等的结构细节，研究人员在设计的时候需要额外注意，可以在以后的降噪研究工程中，把这些细节作为研究的切入点。

三、总结语

从我们意识到飞机噪声问题的那时起，一直到今天，我们一直没有放弃对降噪的研究，现在民用客机气动噪声的研究已经取得了突破性的进展。从世界角度来看，我们已经在增生装置的气动噪声产生的机理方面，有了较为一致的研究结论。在未来的发展过程中，我们会对民用客机的排放、油耗等诸多方面进行严格的要求，同时会从降噪的目标出发，对民用客机制定相应的研究计划。相信在我国的高度重视下，在民用客机增升装置气动噪声控制方面一定能再研究出更加专业、有效的科技工具，在未来的民机研制方面取得进一步的发展，占有重要的一席之地。

参考文献：

[1] 李卿， 王宇航. 一种基于物理机制的飞机增升装置气动噪声快速预测方法研究[J].航空科学技术，2019，v.30;No.212（7）：24-30.

[2]郝璇，周家检，张卫民.民用客机缝翼气动噪声数值模拟研究[J].民用飞机设计与研究，2014，（4）：21-26+86.

[3]张凯宁，谢凝，曹平宽，等.飞机起落架气动噪声数值研究[J].航空计算技术，2019，v.49;No.212（5）：67-70.

[4]张卫民，郝璇，陈大斌，周家检.大型客机气动噪声预测[J].航空制造技术，2010，（14）：66-69.