多孔涂层对不同长径比壁面圆柱体尾迹及声学特性的调控机制研究

本研究针对海洋工程中壁面圆柱体(FWCC)绕流噪声控制难题，通过数值模拟系统探究了多孔涂层在长径比(AR)0.5-24范围内对尾迹动力学和辐射噪声的影响。研究发现多孔涂层的控制效果与AR显著相关，划分出三个特征区域(RI/RII/RIII)，在低AR(RI)可降低气动噪声≥2.1 dB，高AR(RIII)则呈现类似无限长圆柱体的Kármán涡脱落特性并使噪声降低≥4.1 dB。该研究为深海平台等海洋结构物的流致噪声控制提供了新思路。

　　

在深海油气资源开发向深远海推进的背景下，各类海洋平台结构物面临复杂的流固耦合与噪声污染挑战。壁面圆柱体(FWCC)作为海洋浮标、立柱平台等结构的典型单元，其绕流特性既包含经典的Kármán涡脱落，又因自由端和壁面效应产生马蹄涡、尖端涡等复杂三维结构。更棘手的是，不同长径比(AR)会导致截然不同的尾迹模态：低AR时下洗流主导形成对称拱形涡，高AR则出现类似二维圆柱的周期性涡脱落。这种流动特性的差异直接影响结构的气动载荷和辐射噪声特性，而现有研究对多孔涂层这类被动控制手段在不同AR条件下的调控规律仍存在认知空白。

为系统解析这一科学问题，中国某高校研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，采用大涡模拟(LES)结合FW-H声类比方法，首次对AR=0.5-24范围的FWCC开展多孔涂层全参数研究。数值模拟在雷诺数Re_D
=3.2×10⁴
条件下进行，通过B样条曲线拟合等统计方法，揭示了多孔涂层厚度h=0.25D时三类特征区域的控制机理。

主要技术方法
研究采用过滤的Navier-Stokes方程进行LES模拟，通过SGS应力模型捕捉亚格子尺度湍流。多孔介质采用达西-福希海默模型表征渗透特性，远场噪声计算基于FW-H方程。计算域设置满足阻塞率<5%，时间步长保证CFL数<1。验证工作表明该方法能准确预测力系数和斯特劳哈尔数。

Aerodynamic forces and instantaneous flow structures
通过RMS升力系数C_l,rms
和平均阻力系数C?_d
分析发现：在RI区(AR<3.5)，多孔涂层虽未改变对称拱涡模式，但使下洗流强度减弱，噪声降低2.1 dB；RII区(3.5≤AR<10.4)出现过渡特征，多孔涂层促进Kármán涡形成但增阻；RIII区(AR≥10.4)则完全呈现Kármán涡脱落特性，噪声降幅达4.1 dB。

Conclusion
研究首次建立多孔涂层效能与AR的定量关系：低AR时通过抑制下洗流降噪，高AR时则重构涡脱落模式。该发现为海洋工程中不同尺度结构的噪声控制提供差异化解决方案——对于浮标等短柱体优先采用端部涂层，而平台立柱等长柱体适用全包裹方案。

讨论部分指出，当前涂层厚度可能非最优解，未来需结合孔隙率、渗透率等多参数优化。该成果不仅完善了有限长圆柱体流噪理论体系，更指导了深海装备的声学设计，对实现"双碳"目标下的绿色海洋开发具有重要意义。