2022-06-15 | 科研部 南科大刘宇团队在翼型气动噪声机理领域取得新进展

近日，南方科技大学力学与航空航天工程系副教授刘宇课题组关于翼型离散纯音噪声机理的研究工作取得重要进展，相关成果以“A secondary modulation mechanism for aerofoil tonal self-noise generation”为题在流体力学期刊Journal of Fluid Mechanics上发表。该研究通过精细化流场与声学试验对NACA 0012翼型的气动噪声产生机理进行了深入分析，首次建立了对次级离散纯音噪声的系统认识并揭示了其幅值调制机制。

中低雷诺数流动下的翼型离散纯音噪声是低速小尺寸流体机械（如无人机、小型风力机、家电、散热风扇等）的经典气动噪声问题，因此一直受到广泛关注。在NACA 0012翼型的噪声频谱中，依据不同频率间隔可以将纯音噪声分为主纯音和其它两类较弱的次级纯音（主次级纯音和副次级纯音，如图1），噪声频谱中主纯音的频率随着来流速度的变化呈阶梯型结构（图2b）。随着雷诺数的增加，频谱逐渐变得更加宽频化。

图1不同流速下的翼型噪声频谱（攻角）：(a) 11.2 m s^-1; (b) 18m s^-1; (c) 21m s^-1。

图2 纯音噪声与来流速度的关系（攻角）：(a) 噪声频谱云图；(b) 主纯音、主次级纯音和副次级纯音。

图3以展向涡量等值面展示的涡系结构的时空演化过程。

本试验在南方科技大学低湍流度气动声学风洞开展，采用粒子图像测速系统（PIV）与噪声同步测量方法，探索翼型纯音噪声的频谱特征及其内在机理。研究发现翼型压力侧存在层流分离泡和明显的速度脉动，且速度频谱具有和噪声相同的特征，但是吸力侧的速度频谱表现出了宽频特征。此外，由于气动噪声是由相干流动结构定义的，可采用本征正交分解（POD）方法来探究复杂流场和噪声之间的内在联系。在翼型尾缘附近，通过分析声压和主模态随时间变化的规律，将噪声频谱中的次级纯音归因于两种不同的调制机理：主次级纯音与声反馈回路相关，而副次级纯音来自分离泡的周期性振荡。

除了翼型次级纯音噪声的研究进展以外，刘宇课题组近期还在翼型纯音噪声的理论建模与机理实验方面做出了一系列原创性的工作，相关研究成果分别发表于气动声学与流体力学领域期刊Journal of Sound and Vibration和Physics of Fluids。

刘宇课题组研究助理教授杨延年为论文第一作者，刘宇为通讯作者，南科大为论文第一单位，论文作者还包括上海交通大学博士后Stefan Pröbsting、教授李晔、以及南方科技大学硕士生李鹏宇。该研究得到了国家自然科学基金委员会的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2022.427 

供稿：力学与航空航天工程系

通讯员：史露静

主图：丘妍

编辑：朱增光