CN114013647A - 一种三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，包括以下步骤：步骤1：确定二维机翼翼型，将翼型尾缘向下偏转得到具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型；步骤2：设定具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型的弦长c；步骤3：将具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型作为三维机翼梢部截面，对三维机翼梢部截面进行拉伸得到原始三维机翼；步骤4：根据设定的特征参数构建锯齿型刀具；步骤5：采用锯齿型刀具，沿原始三维机翼展长方向对原始三维机翼的尾缘进行切割，得到近似拟合猫头鹰翅梢的三维尾缘锯齿仿生机翼。本发明的技术方案改变了尾缘处的流动特性，降低三维机翼的总声压级以及峰值声压级。
Description
技术领域
本发明涉及噪声控制领域，具体而言，尤其涉及一种三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法。
背景技术
流体经过机翼产生的噪声构成了一个重要的典型问题，国内外航空领域的许多研究机构将气动噪声视为一个航空技术未来发展的重要方向和研究投入了巨大的努力以确保其设计符合飞机更为严格的噪音适航标准以及应对未来的市场竞争。尤其是处于快速发展中的航空工业，其伴随的噪声成为了不可忽视的问题。由此国际航空界对于噪声污染进行标准化规范要求并逐步严格化。因此，研究机翼的噪声问题以及进行对机翼性能优化设计对于我国交通运输行业的发展前景也具有相当程度的推动作用。
发明内容
为了改进原始三维机翼的噪声性能，本发明提供了一种三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，将仿生学与参数化造型方法相结合，根据猫头鹰翅的仿生学特点构造一种参数化锯齿型刀具，在原始三维机翼尾缘的展长方向上进行切割得到带有尾缘锯齿特征的三维仿生机翼，再针对尾缘锯齿刀具的特征参数进行优化设计可以得到一种总声压级降低的最优三维仿生机翼。
本发明采用的技术手段如下：
一种三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，包括以下步骤：
步骤1：确定二维机翼翼型，将翼型尾缘向下偏转得到具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型；
步骤2：设定具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型的弦长c；
步骤3：将具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型作为三维机翼梢部截面，三维机翼翼梢的弦长即为二维机翼翼型的弦长c，设定三维机翼的展长L，进而设定三维机翼的翼根与翼梢的弦长比以及三维机翼的展长与翼梢的弦长比，对三维机翼梢部截面进行拉伸得到原始三维机翼；
步骤4：根据设定的特征参数构建锯齿型刀具，锯齿型刀具的锯齿均匀排布，特征参数包括相邻锯齿之间的间隔距离、锯齿深度和锯齿数量；
步骤5：采用锯齿型刀具，以步骤2得到的原始三维机翼翼梢为起始，沿原始三维机翼展长方向对原始三维机翼的尾缘进行切割，得到近似拟合猫头鹰翅梢的三维尾缘锯齿仿生机翼。
进一步地，二维机翼翼型为NACA0020，步骤1中，将翼型由距离尾缘30％弦长c处开始使尾缘向下偏转5°得到具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型
进一步地，二维机翼翼型的弦长c为0.1m。
进一步地，步骤3得到的原始三维机翼为梯形三维机翼，其翼根与翼梢的弦长比为2：1，展长与翼梢的弦长比为3.5。
进一步地，锯齿型刀具的展长与原始三维机翼的展长相同。
进一步地，锯齿型刀具的特征参数满足：相邻锯齿之间的间隔距离的取值范围为[0.001L，0.0025L]，锯齿深度的取值范围为[0.03c，0.08c]，锯齿数量的取值范围为[0，120]。
进一步地，根据锯齿型刀具的三个特征参数取值范围，选取NSGAⅡ优化算法，设定优化12组初始参数，代数10代，交叉率0.8，突变率0.3；结合CFD数值模拟方法，设定相同工况下攻角6度时，以总声压级和峰值声压级作为目标函数，判断三维尾缘锯齿仿生机翼的噪声性能，以声压级和峰值声压级均最低时的三维尾缘锯齿仿生机翼作为性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼。
进一步地，性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼对应的锯齿型刀具的特征参数满足：锯齿深度为0.03446c，相邻锯齿之间的间隔距离为0.002h，锯齿数量为42个。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，根据猫头鹰翅的尾缘处理，改变了尾缘处的流动特性，降低三维机翼的总声压级以及峰值声压级。
基于上述理由本发明可在航空、航天、航海及工业能源动力领域的叶片与螺旋桨领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述三维尾缘锯齿仿生机翼结构示意图。
图2为本发明所述三维尾缘锯齿仿生机翼尾缘局部放大图。
图3为不同特征参数对应的所述锯齿形刀具切割得到的所述三维尾缘锯齿仿生机翼尾缘示意图。
图4为本发明所述原始三维机翼与性能最优的所述三维尾缘锯齿仿生机翼总声压级对比曲线，横坐标为频率，纵坐标为声压级曲线。
图5为本发明所述原始三维机翼与性能最优的所述三维尾缘锯齿仿生机翼的三分之一倍频程对比曲线，横坐标为频率，纵坐标为声压级曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-3所示，本发明提供了一种三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，包括以下步骤：
步骤1：确定二维机翼翼型，将翼型尾缘向下偏转得到具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型；
步骤2：设定具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型的弦长c；
步骤3：将具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型作为三维机翼梢部截面，三维机翼翼梢的弦长即为二维机翼翼型的弦长c，设定三维机翼的展长L，进而设定三维机翼的翼根与翼梢的弦长比以及三维机翼的展长与翼梢的弦长比，对三维机翼梢部截面进行拉伸得到原始三维机翼；
步骤4：根据设定的特征参数构建锯齿型刀具，锯齿型刀具的锯齿均匀排布，特征参数包括相邻锯齿之间的间隔距离、锯齿深度和锯齿数量；
步骤5：采用锯齿型刀具，以步骤2得到的原始三维机翼翼梢为起始，沿原始三维机翼展长方向对原始三维机翼的尾缘进行切割，得到近似拟合猫头鹰翅梢的三维尾缘锯齿仿生机翼，达到降低噪声的效果。
进一步地，二维机翼翼型为NACA0020，步骤1中，将翼型由距离尾缘30％弦长c处开始使尾缘向下偏转5°得到具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型
进一步地，二维机翼翼型的弦长c为0.1m。
进一步地，步骤3得到的原始三维机翼为梯形三维机翼，其翼根与翼梢的弦长比为2：1，展长与翼梢的弦长比为3.5，即原始三维机翼的展长为0.35m。
进一步地，锯齿型刀具的展长与原始三维机翼的展长相同。
进一步地，锯齿型刀具的特征参数满足：相邻锯齿之间的间隔距离(Dz)的取值范围为[0.001L，0.0025L]，锯齿深度(Dx)的取值范围为[0.03c，0.08c]，锯齿数量(N)的取值范围为[0，120]。
进一步地，根据锯齿型刀具的三个特征参数取值范围，选取NSGAⅡ优化算法，设定优化12组初始参数，代数10代，交叉率0.8，突变率0.3；结合CFD数值模拟方法，设定相同工况下攻角6度时，以总声压级OASPL和峰值声压级SPL-max作为目标函数，判断三维尾缘锯齿仿生机翼的噪声性能，以声压级和峰值声压级均最低时的三维尾缘锯齿仿生机翼作为性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼。
进一步地，性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼对应的锯齿型刀具的特征参数满足：锯齿深度为0.03446c，相邻锯齿之间的间隔距离为0.002h，锯齿数量为42个；性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼的总声压级OASPL为86.835dB，声压级峰值SPL-max为77.556dB，相同工况下标准机翼总声压级OASPL为96.2517dB，声压级峰值SPL-max为85.54163dB，分别下降9.4166dB和7.98641dB。
如图4-5所示，声压级降噪效果曲线图中，在低频范围内原始三维机翼的噪声始终比性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼的噪声更大；在监测频率范围内原始三维机翼在0-4000Hz频率范围内噪声均处于0dB以上，而性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼在1000Hz之前便降至0dB以下。
本发明所述的方法不仅适用于梯形三维机翼尾缘变形以降低噪声，同样适用于螺旋桨、风机叶片等需要应用到尾缘降噪变形领域。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定二维机翼翼型，将翼型尾缘向下偏转得到具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型；
步骤2：设定具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型的弦长c；
步骤3：将具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型作为三维机翼梢部截面，三维机翼翼梢的弦长即为二维机翼翼型的弦长c，设定三维机翼的展长L，进而设定三维机翼的翼根与翼梢的弦长比以及三维机翼的展长与翼梢的弦长比，对三维机翼梢部截面进行拉伸得到原始三维机翼；
步骤4：根据设定的特征参数构建锯齿型刀具，锯齿型刀具的锯齿均匀排布，特征参数包括相邻锯齿之间的间隔距离、锯齿深度和锯齿数量；
步骤5：采用锯齿型刀具，以步骤2得到的原始三维机翼翼梢为起始，沿原始三维机翼展长方向对原始三维机翼的尾缘进行切割，得到近似拟合猫头鹰翅梢的三维尾缘锯齿仿生机翼。
2.根据权利要求1所述的三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，其特征在于，二维机翼翼型为NACA0020，步骤1中，将翼型由距离尾缘30％弦长c处开始使尾缘向下偏转5°得到具有尾缘下垂形态的二维机翼翼型。
3.根据权利要求2所述的三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，其特征在于，二维机翼翼型的弦长c为0.1m。
4.根据权利要求2所述的三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，其特征在于，步骤3得到的原始三维机翼为梯形三维机翼，其翼根与翼梢的弦长比为2：1，展长与翼梢的弦长比为3.5。
5.根据权利要求1所述的三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，其特征在于，锯齿型刀具的展长与原始三维机翼的展长相同。
6.根据权利要求2所述的三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，其特征在于，锯齿型刀具的特征参数满足：相邻锯齿之间的间隔距离的取值范围为[0.001L，0.0025L]，锯齿深度的取值范围为[0.03c，0.08c]，锯齿数量的取值范围为[0，120]。
7.根据权利要求6所述的三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，其特征在于，根据锯齿型刀具的三个特征参数取值范围，选取NSGAⅡ优化算法，设定优化12组初始参数，代数10代，交叉率0.8，突变率0.3；结合CFD数值模拟方法，设定相同工况下攻角6度时，以总声压级和峰值声压级作为目标函数，判断三维尾缘锯齿仿生机翼的噪声性能，以声压级和峰值声压级均最低时的三维尾缘锯齿仿生机翼作为性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼。
8.根据权利要求7所述的三维尾缘锯齿仿生机翼变形方法，其特征在于，性能最优的三维尾缘锯齿仿生机翼对应的锯齿型刀具的特征参数满足：锯齿深度为0.03446c，相邻锯齿之间的间隔距离为0.002h，锯齿数量为42个。
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