Page 26 - 《振动工程学报》2025年第8期
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1666 振 动 工 程 学 报 第 38 卷
柱体结构群在实际工程领域中得到广泛应用， 现海豹胡须结构相位差诱发的发夹式旋涡破坏了尾
如高速列车受电弓、飞机起落架、高层建筑、吊桥拉 迹内卡门涡街结构，减小其升力脉动和流致噪声。
索与桥梁桥墩等。串列圆柱可以看作此类结构群的 王少飞 ［12］ 通过试验研究表明：与圆柱相比，海豹胡须
简化模型，NASA 兰利研究中心通过气动风洞和声 柱复杂的三维几何结构使其尾迹流场受到较强干
学风洞对串列圆柱周围非定常流动和气动噪声特性 扰，脉动明显衰减。
进行了研究 ［1‑3］ ，认为串列圆柱间距比（两圆柱中心 高雷诺数下湍流运动通常伴随着诸多复杂物理
距 L 与直径 D 之比）对其流动状态影响较大，发现存 现象，呈现出高维特征。为深入理解其流动特性，模
在一临界间距比，可使得串列圆柱产生较强气动噪 态分解技术得到了广泛应用。传统的模态分解方
声 。 ALAM 等 ［4］ 根 据 风 洞 试 验 对 间 距 比 L/D 为 法 ，如 本 征 正 交 分 解（proper orthogonal decomposi‑
［13］
5.5~20 的串列圆柱流场进行了研究，表明串列圆柱 tion， POD） 和动力学模态分解（dynamic mode de‑
［14］
间距比变化对下游圆柱气动力的影响比对上游圆柱 composition， DMD） ，已 被 广 泛 应 用 于 湍 流 相 干
敏感，间距比增加时下游圆柱升力和阻力波动均增 结构识别。WANG 等 ［15］ 基于 POD 和 DMD 方法分
［5］
强。楼小峰等 计算了 Re=1×10 ，间距比为 1.5 和 析了不同间距比下串列方形柱体周围流动，结果表
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5.0 时串列圆柱的非定常绕流特性。发现 L/D=1.5 明 ：当 L/D=2 时 ，其 流 动 模 式 与 单 个 方 柱 工 况 相
时，气流在上游圆柱前缘分离后会再附着于下游圆 似；当 L/D=2.5 时，上、下游两个方形柱体产生的涡
柱，随着下游圆柱涡脱落形成，再附着现象在下游 旋相互耦合，产生明显干涉；当 L/D=4 时，上、下游
圆柱两侧交替出现；L/D=5.0 时，上游和下游圆柱 方形柱体各自产生涡脱落。YIN 等 ［16］ 通过 DMD 识
形 成 独 自 的 涡 脱 落 。 KITAGAWA 等 ［6］ 在 雷 诺 数 别出涡旋诱导振动圆柱的四种主要模态，确定了大
Re=2.2×10 下对间距比为 2~5 的串列圆柱进行了 尺度涡旋脱落模式及其谐波。然而，当流场中相干
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数值模拟，结果表明：间距比小于 3.25 时，旋涡仅从 结构表现微弱或存在多个频率时，这些模态分解方
下游圆柱脱落，剪切层从上游圆柱两侧分离，交替连 法受到限制，因此衍生出了改进降阶模型，如稀疏促
接到下游圆柱；下游圆柱尾迹形成旋涡，与上游圆柱 进 动 力 学 模 态 分 解（sparsity‑promoting dynamic
体剪切层的交替再附着同步；间距比大于 3.25 时， mode decomposition， SPDMD） 和 谱 本 征 正 交 分
［17］
旋涡分别从上、下游圆柱脱落，上游圆柱升力波动主 解 （spectral proper orthogonal decomposition，
［7］
频与下游圆柱一致。ZHOU 等 采用大涡模拟计算 SPOD） 。GAO 等 ［19］ 将 POD 和 SPDMD 用于大气
［18］
了 L/D=1.25~6 时串列圆柱非定常绕流特性，发现 运动的流场分析，从射流中提取出对大气运动发展
L/D=1.5~3.5 时，剪切层在上游圆柱两侧分离后会 有重要影响的主要相干结构，并用降阶模型较好地
重新附着于下游圆柱；L/D≥4 时，上、下游圆柱形成 还原了真实流场。CHU 等 ［20］ 采用 SPOD 方法对单
独立的涡脱落。邵山等 分析了 Re=1.2×10 时串 根海豹胡须柱流场结构进行降阶分析，表明海豹胡
［8］
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列圆柱时均流场特性，研究表明当间距比较小时，下 须柱上、下鞍面的反相涡脱落为其尾迹内主要流动结
游圆柱的自由剪切层向内侧偏移；随着间距比增大， 构，一定程度上平衡了升力，从而显著降低升力脉动。
由于受到上游圆柱尾流的干扰，下游圆柱的自由剪 由于海豹胡须柱能够有效抑制涡激振动与尾迹
切层变得模糊。由此可见，串列圆柱间距比不同使 内规律性涡脱落，以往研究多数分析单根海豹胡须
其流动特征趋于复杂，阐明流动机理，可为其流动控 柱杆件的气动力性能、周围流场结构和远场气动噪
制与气动噪声降噪建立理论分析基础。 声特性。如 ZHU 等 ［21］ 基于数值模拟和声学风洞测
仿生学发展为类圆柱体流动控制提供了思路。 试，分析单根海豹胡须杆件周围流场与气动噪声特
海豹可以在黑暗与浑浊的海域中捕食和生存，依赖 性，表明海豹胡须柱表面结构破坏了尾迹卡门涡街
于它们的胡须能够对上游猎物游动形成的尾迹进行 的拟序排列状态，降低了海豹胡须柱气动力脉动，抑
快速响应并产生振动，而在海豹游动过程中，胡须本 制了尾迹规则涡脱落所产生气动噪声，取得了较好
身 不 产 生 明 显 振 动 ，能 够 保 持 良 好 的 稳 定 性 ［9］ 。 的降噪效果。实际工程应用中，柱体绕流大多以结
WITTE 等 ［10］ 采用直接数值模拟对 Re=500 时海豹 构群的形式存在，因此本文基于数值模拟和风洞测
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胡须周围流动进行分析，结果表明：与圆柱相比，海 试 ，分 析 雷 诺 数 Re=6×10 ~1.2×10 下 串 列 海 豹
豹 胡 须 的 平 均 阻 力 与 阻 力 脉 动 分 别 降 低 40% 与 胡须柱杆件的流场与气动噪声特性，并与串列圆柱
90%，升力脉动减小 94% 以上；海豹胡须尾迹连续 以及串列椭圆柱杆件工况进行对比，以揭示串列海
脱落的涡结构发生在距离几何体较远的位置，衰减 豹胡须柱杆件周围流动及其诱发气动噪声的机理，
较快。LIU 等 ［11］ 研究了 Re=500 时存在于海豹胡须 为串列海豹胡须柱杆件应用于工程领域气动噪声控
鞍面、节点面上的 180°相位差对尾流结构的影响，发 制建立理论基础。
