从自然中汲取灵感的新一代安静的机翼

不断接触噪声是发达国家的越来越多的问题，不仅对工业而且对我们的健康影响影响。经常被指控创造噪音的主要罪魁祸首包括机场和风电场。距离南安普敦大学的菲尔约瑟教授正朝着一支科学家队，专注于通过新的机翼设计的开发来降低噪音污染。该团队从四所大学的联盟（诺丁汉，南安普顿，城市（伦敦）和布鲁尔）的工业支援从空中客车和维斯塔斯获得了工业支援，已经实现了大约10dB的明显噪声减少 - 远远超过以前的设计。

根据健康研究，巨大的噪音不仅会导致听力下降，还会造成心理和生理压力，还会降低工作效率。这也是影响建筑和制造业工人的最大工作问题。那些住在机场和风力涡轮机附近的人经常抱怨头晕、头痛和睡眠障碍。风力发电场或飞机起飞和降落时产生的噪音散布在广阔的区域，很难消除。由Phil Joseph教授领导的一组科学家，包括Chong Tze - Pei博士、Choi king - so教授、Alfredo Pinelli教授和Mohammad Omidyeganeh博士，正致力于解决这个问题。他们计划引入新的翼型设计，这种设计在降低噪音方面更有效，可以应用在更广泛的条件下，从而保持其性能。

噪音原因
诸如众所周知，诸如已知主导声源位于机翼表面（风力涡轮机或飞机的机翼的叶片）上的精确机制而不是完全理解的。翼型通常具有圆形的前缘（击中空气第一）和尖锐的后缘（空气流出的尖锐后缘）。当机翼的前缘与湍流流体流动相互作用时（这可以是液体或气体，例如气氛），产生空气动力学力。

空气动力由阻力和升力组成，两者都是在机翼(如飞机的机翼)与流体(如大气)相互作用时产生的。我们可以把阻力看作是飞机机翼表面和空气分子之间的摩擦。升力是机翼产生的使空气分子向下偏转的力。它的作用垂直于气流的方向，使飞机保持在空气中。

空气动力学的力受到“攻角”的严重影响 - 机翼之间的角度和流体的流动方向之间的角度。例如，想想沿着跑道移动的飞机。空气膜（飞机的翅膀）相对于流动方向（在这种情况下，飞机的运动意味着空气与飞行器平行而是沿相反方向流动）对于升降机来说非常重要。

作为作用在机翼上的不稳定空气动力力的副作用，也产生了噪声。当在大角度的攻击角度在翼或叶片上作用时，这种噪声增加。由于湍流空气区域通过机翼通向和后缘的区域，产生声波。声波可以围绕障碍物弯曲并从小开口展开。通过旋转机翼的噪声的创建比通过固定机翼的空气更复杂。刀片切割空气越快，在那里产生的噪声频率越高。尾随涡流产生随机噪声，其频率在风力涡轮机的尖端处更高，例如，它是移动得更快的。

复制风力涡轮机叶片上的座盖鲸脚蹼的扇形设计导致阻力，更安静的功能和提高效率

座头鲸和风力涡轮机
大自然一直是技术创新的无穷无尽的思想来源。对于旨在减少翼型产生的噪音的科学家团队，驼背鲸的鳍状公司的观察有助于他们更好地了解波动的机制。这些鲸鱼的脚蹼的扇形边缘在水下杂技中提供了巨大的优势。他们的狩猎技术被称为泡沫净捕鱼。鲸鱼使尖锐的u匝和pirouettes将他们的猎物集中在一个“净”的气泡内，鱼不能交叉。它们的脚蹼的扇形边缘允许它们比平滑边缘更锐角，使得它允许在没有所谓的档位的情况下突然变化。锯齿状前缘的想法现在从测试阶段传递到生产过程中：将这种扇形设计在风力涡轮机叶片上复制导致阻力，更安静的功能和提高效率。

Owl-inspired涡轮叶片
猫头鹰以其无声的捕猎技术而闻名:由于它们翅膀边缘独特的锯齿状特征，它们可以悄无声息地接近猎物而不被发现。利用锯齿改变前缘和后缘的几何形状，就像猫头鹰的翅膀一样，不仅可以改善空气动力性能，还可以减少不必要的噪声。该小组的研究基于这一事实，并提出了一项详细的实验研究，他们测试了正弦前缘起伏和尾缘锯齿与湍流相互作用的组合。他们的实验证明，将这两种修改相结合，可以获得显著的降噪效果。研究的一个重要发现是，锯齿能同时改变流体动力场和声场。锯齿的降噪被发现是一种集体的努力，其基础是流动的湍流能量的减少，以及沿边缘的声破坏性干扰。

鲨鱼皮的秘密
该小组计划研究的另一项有前景的技术涉及使用“排骨”来降低噪音。肋条是在管道系统和风力涡轮机表面的纵向凸起槽，可以成功地减少阻力。美洲杯帆船赛的游艇和泳衣都使用了肋骨，以提高比赛的速度。用空客A320进行的肋条飞行试验表明，肋条可以减少2%的阻力。使用的图案与目前鲨鱼皮肤上的图案相似，不光滑，但覆盖着被称为齿状鳞片的牙齿。这层表皮有细小的v形鳞片，可以减少湍流和阻力。因此，鲨鱼游得更快，也更安静。

计算机模拟
该团队的研究项目结合了这三种受自然启发的技术，使用计算机建模，结果很有希望。他们正在开发和优化这些技术，以适用于更广泛的负载条件和流速。

该团队运行了一种计算机模拟流体，以重建出现在海洋或大气中的湍流流动。模拟使用控制流体运动的Navier-Stokes方程：这些类似于牛顿的第二律，而是应用于流体（气体或液体）。计算机对这些方程的解决方案进行了特定的条件，并允许团队预测特定区域中的流体的速度和压力。
用来计算Navier-Stokes方程数值解的参数是雷诺数(Re)，它描述了惯性力与粘性力的比值。更简单地说，它决定流体是层流还是紊流。低Re的特点是平稳和缓慢的流动;高Re描述了混沌和不稳定的流体运动。

风力涡轮机或飞机起飞和降落时产生的噪音会在很大范围内散发，很难消除

减少机翼噪声的关键要求是沿着边界的流动应保持与空气动力学表面直接接触。使用称为大涡流模拟的仿真，该团队能够证明具有前缘起伏的翼型具有边界层，该边界层流动仍然在攻击方面留在表面上的攻击而不是先前的设计。在过去十年中，他们已经证明，前沿起伏可能将电梯增加了60％并减少了相同的金额。他们还表明，过度可以大大降低产生的噪音，减少约10dB。

目前，该集团的工作得到了EPSRC补助金的支持。主要目标是整合他们的所有调查结果，以减少飞机发动机，飞机翼，风力涡轮机和冷却风扇中的噪音。无人驾驶飞行器（无人机）在广泛的领域（军事行动，人道主义援助）中越来越越来越受到促使在大角度和减小的大角度下的机翼的研究。该团队的研究表明，对于降噪，最好的策略涉及噪声源的改变 - 涡轮机叶片。整合三种创新的前沿型材 - 双波长，切碎峰和狭缝根锯齿 - 同时提供噪音的降低，增强了一般的空气动力学性能。由于这些发现，我们更接近从安静的风电场获得清洁能源，从机场降低噪音污染。