湍流结构与噪声的同步测量及噪声产生机理研究

One of the major obstacles is the direct measurement of aerodynamic noise in the presence of flow, which is usually several orders of magnitude smaller than the fluid pressure. In this project, we will install two axisymmetric, length-adjustable cavities on the top and bottom walls of the wind tunnel as acoustic resonators to amplify the aerodynamic noise. A microphone is installed at one end of the cavity to measure the sound pressure level. Based on the turbulence structure, structure response, and noise synchronization measurement, we will study the mechanisms of noise generation in various wakes.

由于流致噪声的声压通常比流体压力小几个数量级，目前流致噪声问题研究的一个难点是如何直接测量噪声。本项目通过在风洞的顶部和底部壁上安装两个轴对称的、长度可调的空腔作为声音谐振器，用来放大流致噪音。空腔的一端安装麦克风测量声压等级。通过湍流结构、结构响应，以及噪声的同步测量来研究多种钝体绕流中噪声的产生机理。

研究工作主要包含两个部分：（1）通过在风洞的顶部和底部壁面安装两个轴对称的、长度可调的空腔作为声音谐振器，用来放大尾流流产生的噪声。（2）通过湍流结构和噪声的同步测量来研究单圆柱和双圆柱尾流中流致噪声机理。. 主要成果和结论有：（1）设计了一套圆柱尾流湍流结构和噪声同步测量装置，该装置具有显著放大圆柱尾流噪声的效果。（2a）推导得到了相平均的Lighthill方程，该方程显示拟序和非拟序的雷诺应力分量均会对拟序声压产生贡献。（2b）对于单圆柱尾流，通过雷诺应力和噪声的同步测量，发现了无论是对于拟序雷诺应力，还是非拟序雷诺应力，侧向雷诺应力分量对声压的贡献最大。（2c）针对不同间隙比条件下并列双圆柱（间距比为 2.27、3.30、4.54），同步测量了尾流中的雷诺应力和噪声，发现了与单圆柱尾流类似的规律。而且，随着间距比的减小，拟序结构强度减弱，拟序和非拟序雷诺应力与噪声的相关性减小，远场噪声减小。（3）使用多种微射流对单圆柱尾流流致噪声进行了控制，发现了微射流能明显减弱拟序结构的强度，减小雷诺应力与噪声的相关性，获得了最大17.13 dB的降噪效果。（4）在大范围雷诺数条件下、大范围侧向位置的单圆柱尾流中，发现了侧向速度分量的能谱在小于卡门涡波长的一个量级的湍流尺度范围具有-5/3标度律；相平均的二阶结构函数显示拟序结构对小尺度湍流的影响在不同侧向位置和不同雷诺数条件下是相似的；发现了噪声谱在相同尺度范围也具有-5/3标度律。（5）使用热线、冷线和PIV等测量手段，通过谱分析和POD分析等方法，首次发现了圆柱尾流中存在超大尺度结构。（6）项目执行期间，发表了SCI期刊论文6篇。参加了7次国内外交流活动。培养了13名研究生。