近日，南方科技大學力學與航空航太工程系副教授劉宇課題組關於翼型離散純音雜訊機理的研究工作取得重要進展，相關成果以“A secondary modulation mechanism for aerofoil tonal self-noise generation”為題在流體力學期刊Journal of Fluid Mechanics上發表。該研究通過精細化流場與聲學試驗對NACA 0012翼型的氣動雜訊產生機理進行了深入分析，首次建立了對次級離散純音雜訊的系統認識並揭示了其幅值調製機制。
中低雷諾數流動下的翼型離散純音雜訊是低速小尺寸流體機械（如無人機、小型風力機、家電、散熱風扇等）的經典氣動雜訊問題，囙此一直受到廣泛關注。在NACA 0012翼型的雜訊頻譜中，依據不同頻率間隔可以將純音雜訊分為主純音和其它兩類較弱的次級純音（主次級純音和副次級純音，如圖1），雜訊頻譜中主純音的頻率隨著來流速度的變化呈階梯型結構（圖2b）。隨著雷諾數的新增，頻譜逐漸變得更加寬頻化。
圖1不同流速下的翼型雜訊頻譜（攻角）：（a）11.2 m s-1；（b）18m s-1；（c）21m s-1。
圖2純音雜訊與來流速度的關係（攻角）：（a）雜訊頻譜雲圖；（b）主純音、主次級純音和副次級純音。
圖3以展向渦量等值面展示的渦系結構的時空演化過程。
本試驗在南方科技大學低湍流度氣動聲學風洞開展，採用粒子影像測速系統（PIV）與雜訊同步測量方法，探索翼型純音雜訊的頻譜特徵及其內在機理。研究發現翼型壓力側存在層流分離泡和明顯的速度脈動，且速度頻譜具有和雜訊相同的特徵，但是吸力側的速度頻譜表現出了寬頻特徵。此外，由於氣動雜訊是由相干流動結構定義的，可採用本征正交分解（POD）方法來探究複雜流場和雜訊之間的內在聯系。在翼型尾緣附近，通過分析聲壓和主模態隨時間變化的規律，將雜訊頻譜中的次級純音歸因於兩種不同的調製機理：主次級純音與聲迴響回路相關，而副次級純音來自分離泡的週期性振盪。
除了翼型次級純音雜訊的研究進展以外，劉宇課題組近期還在翼型純音雜訊的理論建模與機理實驗方面做出了一系列原創性的工作，相關研究成果分別發表於氣動聲學與流體力學領域期刊Journal of Sound and Vibration和Physics of Fluids。
劉宇課題組研究助理教授楊延年為論文第一作者，劉宇為通訊作者，南科大為論文第一單比特，論文作者還包括上海交通大學博士後Stefan Pröbsting、教授李曄、以及南方科技大學碩士生李鵬宇。該研究得到了國家自然科學基金委員會的支持。