噪声污染不仅影响人们的正常休息、学习及工作,而且还会诱发多种疾病,严重危害人体健康,并对社会经济产生严重的负面影响。现代交通工具及工业设备是环境噪声的主要噪声源,由于工作部件运转速度的提高,很多情况下,气动噪声已经远远超过机械噪声,在总噪声中占主导地位。翼型单元不仅是机翼以及风机、风力机等叶轮机械设计的基本元素,同时也是气动声学基础理论研究的重要载体,开展其降噪方法与技术的研究,具有重要的学术意义和实际应用价值。流动控制是流体力学的前沿领域之一,与仿生学的碰撞催生了流动控制领域的一个重要研究分支——仿生流动控制,即通过模仿与学习生物或生物体的特有功能,进一步增强流动控制的效果。不同来流条件下,薄翼型叶片气动噪声产生机理有显著差异,在对其研究基础上,本文提出多种生物体复合仿生的理念,设计了低雷诺数敏感性的仿生叶片,开展了其降噪方法及降噪机理研究,并在翼型风机上进行了应用性试验。应用NAFnoise翼型噪声分析软件计算了NACA 0006翼型在不同雷诺数、不同攻角下的噪声单元构成及频谱特性。基于弦长的雷诺数为5×104-1.9×105范围内,在0°攻角时,窄频特性的层流边界层涡脱落噪声为主导噪声;在5°攻角时,随着雷诺数的增加,边界层发生转捩或分离,中低频段的噪声增大,总声压级频谱呈现宽频特性;在10°攻角时,吸力面侧流动分离尺度增大,由流动分离引起的分离噪声及湍流边界层噪声占主导作用,低频噪声更加突出。基于这些结论,设计仿生结构时可考虑通过翼型叶片前缘形状的改变降低层流边界层噪声,通过表面形状和尾缘结构的改变来降低湍流边界层噪声。数值模拟是气动声学的重要研究手段,被国内外研究者广泛采用。为了获得准确气动噪声源的声学信号、捕捉流动产生的小尺度涡,开展了数值模拟方法及网格无关性分析研究。气动声源选用了可精确求解小尺度涡的动态Smagorinsky-Lilly模型求解,以便于分析仿生结构对边界层演化影响。采用C-型六面体结构网格离散计算域,通过分析网格数量对阻力系数及表面压力系数的影响,确定了网格密度。仿生流动控制研究常用仿生模本为鸮类翅翼、座头鲸的鳍状肢及鱼鳍等,融合三种生物的典型特征,基于naca0006翼型,通过变弦长的方式设计了具有前缘波状、尾缘锯齿及脊状结构表面的仿生叶片。les/fw-h数值模拟结果表明,在不大幅改变其气动性能的前提下,仿生结构可显著减小naca0006翼型叶片的气动噪声。雷诺数为5×104、攻角为0°时,在有效监测点处,仿生叶片的总声压级比naca0006翼型叶片降低了1.7-2.8db。气流流过仿生叶片波状前缘后,相邻两脊状结构中间气流两侧在展向上具有等值反向的速度,在壁面限定作用下,气流在谷底处的法向速度增加,但未能达到引起边界层转捩的条件,却阻止了t-s波的形成。气流从锯齿尾缘脱落后,形成了较为规则的“块状涡”,减弱了流向涡的展向关联性。雷诺数为1.0×105、攻角为5°时,所有有效监测点处的总声压级降低了1.7-3.2db。在吸力面侧,仿生叶片表面两相邻的脊状结构中间,气流展向流速进一步增加,在谷底壁面反射作下形成了更高的法向速度,加速了边界层的转捩,减小了边界层不稳定性造成的压力脉动。在压力面侧,表面脊状结构对气动的收拢,对边界层起到稳定作用,消除了边界层转捩过程中形成的不稳定的Λ涡,层流边界层在接近于尾缘附近快速演变成湍流边界层后从尾缘脱落。雷诺数为1.9×105,攻角为10°时,由于雷诺数和攻角较大,气流流经两种叶片前缘后均发生了较大尺度的分离。仿生叶片的前缘波状结构对流场的剧烈扰动,使前缘附近监测点噪声增加0.9db,但其它监测点处特别是尾缘附近,其噪声仍然有显著降低,在压力面侧,降低了3.4db。其降噪机理,与雷诺数为5×104、攻角为0°时相似。应用本文关于薄翼型仿生流动控制降噪的基础研究结论,在翼型轴流风机上开展了应用试验。通过控制前缘引导线的线型,设计了前缘引导线为圆弧的仿生风机叶片,其尾缘引导线各不相同,分别为圆弧、直线和折线。由于风机叶片较薄,考虑到进一步提高流动控制效果,基于仿生结构对薄翼型叶片流场控制机理的认识,设计了其衍生结构模型,即前缘引导线为样条曲线(与圆弧相比特征更明显),尾缘引导线分别为样条曲线,直线和折线。由于仿生结构的形成是通过等比缩小翼型弦长实现的,为了使对比更有科学性,设计制造了两个叶片前缘和尾缘均为直线的风机作为对比模型,其弦长分别为仿生风机叶片设计时所用的最大和最小弦长。风机性能测试结果表明,两个前缘、尾缘均为直线的两个原型风机都具有良好的性能,且二者性能相差不大。与两者相比,在13v,16v,20v,24v四个电压模式下,所有仿生风机的启动功率显著减小,静压效率得到大幅提高,启动功率最大可减小8%,两静压效率曲线高效工作区间的最大差值为3.79%。根据国家标准GB/T 2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》,应用MPA231型传声器和MC3242数据采集器组成的声学测量系统对比测试了原型风机和仿生风机的声学性能。结果表明,在13V,16V,20V,24V四个电压模式下,仿生风机均体现了优异的声学性能,其中,前缘、尾缘引导线均为样条曲线的仿生风机在四个电压模式下具有最为显著的低噪声性能,与叶片相对较大的原型风机相比,其气动噪声分别降低了3.39dB,3.13d B,4.14dB,4.06d B。试验过程中,测试人员通过人耳可明显感受到该仿生风机的噪声显著小于原型风机。