钝体绕流诱发噪声的抑制：被动流动控制策略对受限流中声学共振的削弱机制研究

《Experimental Thermal and Fluid Science》：Disruption of flow-induced noise from a bluff body

　　

摘要专业翻译 在雷诺数（Reynolds number, Re）范围为3.3×104至1.7×105的条件下，研究人员对横流中圆柱体（circular cylinder）诱发的流动声学共振（flow-excited acoustic resonance）的抑制开展了实验研究。研究人员考察了多种被动流动控制技术在缓解共振激励方面的有效性，包括分流板（splitter plate）、扫掠射流（sweeping jet）、连续射流（continuous jet）以及小型控制杆（small control rod）。气动声学测量结果表明，上述控制策略能够抑制与管道第一阶声学横模（first acoustic cross-mode）相关的流动诱发声学共振，声压级（sound pressure level, SPL）降幅约为19–22 dB。流动可视化结果凸显了顺时针与逆时针涡结构之间的相互作用在驱动流动诱发噪声及维持声学共振过程中的关键作用。破坏这种相互作用，或将涡结构进一步向下游输运、使其远离圆柱底部，均会削弱反馈机制，并显著降低声学响应。此外，本征正交分解（proper orthogonal decomposition, POD）分析表明，被动控制装置的引入显著降低了以第一、二阶POD模态为主导的非对称脱落模态（antisymmetric shedding mode）所对应的能量，同时增强了通常与对称涡脱落过程相关的高阶POD模态的贡献。

论文解读

研究背景与问题

钝体绕流诱发的声学共振是工程流体力学与气动声学领域的重要问题。当横流中的圆柱等钝体被置于管道等受限空间内时，若其涡脱落频率与周围管道某一声学模态频率相吻合，便会发生锁定（lock-in）现象，进而建立驻波声场。该声场通过与声学质点速度的强耦合反过来增强涡脱落过程，形成强烈的流-声耦合反馈回路，在某些情况下可产生超过160 dB的极高声压级，并伴随严重的结构振动，甚至导致结构失效。此类现象在换热器等包含管道内钝体的工业系统中尤为突出，具有引发灾难性失效的潜在风险。涡脱落频率通常以斯特劳哈尔数（Strouhal number, St）表征，其关联了脱落频率、钝体特征长度与来流速度。

在无界流动中，涡脱落通常产生幅度有限的冯·卡门涡街声（Aeolian tones），虽可能引起不适，但危害有限。然而在有界流动中，反射边界引入了额外的约束与反馈机制，使系统演变为强耦合的流-声系统，问题严重性显著提升。尽管被动流动控制技术在抑制涡脱落、改善气动性能方面已有大量研究，但这些技术在经历流动诱发声学共振的有界流动中的有效性却鲜有系统性的实验表征。这一研究空白具有重要的工业意义，因为涉及管道内钝体的工程系统极易受到共振诱发噪声与振动的威胁。因此，开发针对有界构型中钝体绕流的有效工程控制策略至关重要。

研究内容与结论

针对上述研究空白，本研究在加拿大安大略理工大学流固耦合与噪声控制实验室开展了一系列实验。研究人员在雷诺数3.3×10⁴至1.7×10⁵范围内，对横流中的单个圆柱（基准构型）及四种被动流动控制构型进行了系统对比研究。这四种控制技术分别为：分流板、连续射流、扫掠射流和小型控制杆。研究重点在于评估这些技术在抑制流动诱发声学共振方面的有效性，并阐明它们如何改变流动结构、破坏或修正流-声相互作用机制。

实验在开放回路风洞中进行，测试段为矩形截面，高H=245 mm、宽W=127 mm、长812 mm。这些尺寸经过精心设计，以确保在风机运行速度范围内能够自激发第一阶声学横模。该模态的理论频率由公式f_a1 = c/(2H) = 670 Hz给出，其中c为室温下空气中的声速。实验环境温度维持在21°C，相对湿度约50%，湍流强度低于1%，沿圆柱展向的流动均匀性保持在94%以内。

气动声学测量采用三个1/4英寸预极化压力麦克风，齐平安装于测试段顶壁。由于涡脱落是一种全局水动力不稳定性，可在整个流场及边界上产生相干压力脉动，因此壁面麦克风能够可靠捕获主导涡脱落频率。声压数据以20 kHz采样频率采集120秒，随后进行功率谱密度分析以确定主频成分、对应的斯特劳哈尔周期性及声压级。流动可视化方面采用粒子图像测速（particle image velocimetry, PIV）技术，并结合本征正交分解（POD）分析流动结构的能量分布特征。

研究结果表明，四种被动控制策略均能有效抑制与第一阶声学横模相关的流动诱发声学共振，声压级降幅约为19–22 dB。流动可视化揭示了顺时针与逆时针涡结构之间的相互作用是驱动流动诱发噪声、维持声学共振的关键机制。破坏这种相互作用，或将涡结构进一步输运至下游远离圆柱底部，均能削弱反馈机制并显著降低声学响应。POD分析进一步表明，被动控制装置的引入显著降低了以第一、二阶POD模态为主导的非对称脱落模态的能量，同时增强了通常与对称涡脱落过程相关的高阶POD模态的贡献。

关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：其一为气动声学压力测量，使用三个齐平安装于测试段顶壁的1/4英寸预极化麦克风采集声压信号，通过功率谱密度分析确定主导频率与声压级；其二为粒子图像测速（PIV）技术，用于获取流场速度分布并进行流动可视化；其三为本征正交分解（POD）分析，用于定量表征不同控制构型下流动结构的能量分布特征。所有实验均在加拿大安大略理工大学流固耦合与噪声控制实验室的开放回路风洞中完成。

研究结果

基准构型下的声学共振特征

研究人员首先对无控制装置的单个圆柱（基准构型）进行了测试，以建立共振响应的基线特征。在自由来流速度20–100 m/s范围内，对应基于圆柱直径的雷诺数3.3×10⁴至1.7×10⁵，研究人员确认了流动诱发声学共振的发生条件与声压级水平，为后续控制效果评估提供了参照基准。

分流板对共振的抑制效果

分流板以长度比L/D = 1安装于圆柱下游，该构型在文献中被报道为最优抑制性能配置。实验结果表明，该构型能够有效抑制与第一阶声学横模相关的共振激励，实现约19–22 dB的声压级降幅。其抑制机制主要归因于回流区延长、雷诺应力脉动降低以及湍动能减小，这些因素共同削弱了涡脱落的相干性，从而降低了噪声辐射。

连续射流与扫掠射流的控制效果

连续射流与扫掠射流均属于被动射流控制技术，其工作机制依赖于圆柱前缘滞止区的高压与圆柱底部回流区的低压之间的压差，驱动气流通过圆柱内部通道并在出口处加速喷射进入尾流区域。扫掠射流由于科安达效应（Coand? effect）和内部腔室的水动力反馈，产生空间振荡射流，具备更强的破坏圆柱两侧相干剪切层的能力。实验结果表明，两种射流构型均能有效抑制声学共振，其中扫掠射流提供了更为均匀的控制效果。

小型控制杆的优化与效果

小型控制杆的几何参数经过进一步优化，以促进控制杆与主圆柱之间形成射流状流动，从而在剪切层卷起之前对其进行破坏，改变涡核的形成过程。实验结果表明，在特定杆位置下，控制杆延长了回流区，同时未显著改变整体尾流动力学，实现了对声学共振的有效抑制。

POD模态能量分析

POD分析结果显示，被动控制装置的引入显著降低了非对称脱落模态的能量，该模态以前两阶POD模态为主导。与此同时，高阶POD模态的贡献得到增强，这些高阶模态通常与对称涡脱落过程相关。这一能量再分配表明，控制装置通过改变尾流中涡结构的对称性特征，从根本上削弱了驱动声学共振的流-声耦合机制。

讨论与结论

本研究系统对比了四种被动流动控制技术在抑制有界流动中流动诱发声学共振方面的有效性，填补了该领域缺乏详细实验表征的研究空白。研究结论可归纳如下：四种被动控制策略——分流板、连续射流、扫掠射流和小型控制杆——均能在雷诺数3.3×10⁴至1.7×10⁵范围内有效抑制与第一阶声学横模相关的共振激励，声压级降幅约19–22 dB。流动可视化证明，顺时针与逆时针涡结构的相互作用是驱动流动诱发噪声、维持声学共振的关键机制；破坏该相互作用或将涡结构输运至下游远离圆柱底部，可削弱反馈机制并显著降低声学响应。POD分析进一步揭示了控制装置通过降低非对称脱落模态能量、增强对称相关高阶模态贡献来实现共振抑制的流动机理。本研究为有界流动工程系统中钝体绕流噪声的被动控制提供了系统的实验依据，对换热器等易受共振诱发噪声与振动威胁的工业设备具有重要的工程参考价值。