亚临界雷诺数圆柱绕流远场气动噪声实验研究

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1、2016年5月第42卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMav2016V01．42NO．5http：／／bhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．caDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0364亚临界雷诺数圆柱绕流远场气动噪声实验研究李玲，刘沛清4，邢宇，郭昊，田云(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：针对亚临界雷诺数下圆柱绕流的气动噪声问题，在北京航空航天大学D5气动声学

2、风洞中进行了圆柱绕流远场气动噪声的实验研究。在D5气动声学风洞实验段不同来流条件下，测量消声室中距离圆柱不同位置的自由场传声器的远场声压信号，经过快速傅里叶变换(FFT)获得亚临界雷诺数下圆柱绕流气动噪声随来流速度、接收点距离的变化规律。实验结果表明：圆柱绕流的远场气动噪声在垂直气流方向最大，随着偏离垂直方向角度的增大噪声逐渐减小，属于典型的偶极子噪声源辐射特性；远场气动噪声近似与来流速度的6次方成正比，与接收点到圆柱中心距离的2次方成反比，这说明偶极子类型的噪声源是圆柱绕流的主要噪声源。关键词：圆柱绕流；气动噪声实验；亚临界雷诺数；声学特性；

3、噪声产生及传播机理中图分类号：V221．3文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)05-0977-07圆柱绕流是一个典型的流动问题，广泛存在于航空航天、船舶以及风工程¨刮等实际工程问题中。其流动尾流区域存在卡门涡街、流动分离和层流湍流的转捩等复杂的流动现象"⋯。长久以来围绕圆柱绕流的流动、减阻等难题进行了深入细致的研究，而对于圆柱绕流噪声的研究却是从1878年Strouhalpl开始的，接下来也有众多的学者研究了圆柱绕流气动噪声的基本理论和传播机理(例如文献[6．10])。圆柱绕流的噪声现象是基本声源的叠加，即单极子声源、偶极子声

4、源和四极子声源。上述3类噪声源的综合作用严重影响着流场内噪声及远场监测点接收的噪声，其中最主要的是由于流体与圆柱表面相互作用产生的不稳定压力而导致的偶极子声源¨“。Revell等¨引对雷诺数为4．5×104～4．5×105和马赫数为0．1～0．5的表面光滑和粗糙的圆柱绕流气动噪声进行了实验性研究，发现声压级(SoundPressureLevel，SPL)很大程度上受到阻力系数的影响，由此掀起了气动噪声研究热潮，圆柱绕流气动噪声的研究又一次成为气动噪声研究的主角。目前，国内的气动噪声研究大部分基于数值模拟(例如文献[11，13—14])，而气动声

5、学实验研究还处在起步阶段，尚亟待开展。因此，在北京航空航天大学D5气动声学风洞进行了圆柱绕流气动声学测量实验，实验段的风速范围在30～80m／s，雷诺数m为4．1×104～1．1×105，在亚临界区范围内(300≤Re<3×105)，此时，附面层仍为层流分离，而尾迹已转变为湍流涡街。对测量点的声压进行快速傅里叶变换(FFT)可以得到频域下的声压规律、监测点声压级和总声压级(Over—allSoundPressureLevel，OASPL)。进而对不同的圆柱绕流流动状态下的声场进行定性与定量的分析，探讨圆柱绕流在亚临界区雷诺数范围收稿日期：201

6、5-06-03；录用日期：2015-09-11；网络出版时间：2015-10—3016：51网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151030．1651．007．html基金项目：国家自然科学基金(11272034)}通讯作者：Tel．：010-82339568E-mail：lpq@buaa．edu．cn；f用格式：李玲，刘沛清，邢宇，等．亚临界雷诺教圆柱绕流远场气动噪声实验研究ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42(5)：977—983．LIL，LIUPQ，XINGY，eta1．Far-f

7、ieldaeroacousticexperimentalstudyofflowaroundacircularcylinderatsubcritiealReynoldsnumber[．JJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(5)：977—983(inChinese)．978北京航空航人火学。、二报内的周期性流动现象的声学特性和圆柱绕流的噪声产生及辐射机理，为进一步研究圆柱等钝体绕流的流动控制和降噪技术做铺垫。1实验设备为了研究气动噪声问题，在北京航空航天大

8、学国家流体力学教育部重点实验室建造的1m×1m的D5气动声学风洞中进行圆柱绕流气动声学测量实验。风洞的实验设备介绍如下：风扇直径为2．26m，轮毂比为