Page 29 - 《振动工程学报》2025年第8期

第 8 期 朱剑月，等： 串列海豹胡须柱杆件周围流场与气动噪声特性分析 1669

所示。图 4（a）和（b）显示了不同工况上、下游杆件
升力系数的功率谱密度，串列圆柱工况中上、下游圆
柱升力系数 PSD 曲线中存在一明显峰值位于斯特
劳哈尔数（St=fD/U 0 ，其中 f 为频率）为 0.177 处；串

列椭圆柱工况中上、下游椭圆柱升力系数 PSD 曲线
峰值均出现在 St=0.293 处，但幅值低于串列圆柱工
况；串列海豹胡须柱工况中，上、下游杆件升力系数
PSD 曲线无明显峰值，表明海豹胡须柱尾迹中涡脱
落强度较弱，尾迹振荡得到有效抑制，减弱了升力脉
动诱发的杆件涡激振动。分析不同工况上、下游杆
件阻力系数的功率谱密度曲线（如图 4（c）和（d）所

示）可以发现，上、下游圆柱阻力系数 PSD 曲线峰值
对应 St=0.348，上、下游椭圆柱中相应值为 0.586，
均为升力系数中所对应值的 2 倍；海豹胡须柱阻力
系 数 PSD 曲 线 中 无 明 显 峰 值 ；与 串 列 圆 柱 工 况 相
比，串列椭圆柱和串列海豹胡须柱阻力系数 PSD 曲
线幅值均有所降低，但串列海豹胡须柱降幅较多，表
明其减阻效果明显。

2. 2 瞬时涡结构

串列类圆柱杆件流场内涡运动及其发展将影响
气动噪声的产生，为分析各杆件周围流动特性，图 5
绘出了流场中壁面附近的湍涡结构，采用 Q 准则显
2
示 α =5 的等值面，α = Q/ [ (U 0 /D) ]，其中 Q 为速
度梯度张量第二不变量；颜色表示归一化速度模值
)
|
(|U /U ∞ 的大小。分析图 5（a）与（b）可以发现，串
列圆柱工况中从上游圆柱分离的剪切层在两圆柱中
间形成充分发展的湍涡，上、下游圆柱都产生了周期

性涡脱落，从上游圆柱表面脱落的涡向下游流动并
冲击下游圆柱，下游圆柱附近伴随着涡的破碎与合
并过程，使得下游圆柱表面的非定常脉动力增加。
串列椭圆柱工况中（如图 5（c）与（d）所示），尾迹中
向后发展的交替涡脱落结构依然存在，但上游椭圆
柱后方涡旋首次卷起的位置离柱体表面较远，近壁

面涡旋沿杆件横向振荡幅度减弱，使得升力脉动显
著降低；下游椭圆柱尾迹中小尺度涡结构减少，尾涡
振荡减弱，流动趋于稳定。图 5（e）与（f）表明串列海
豹胡须柱工况中上、下游杆件尾迹内未形成大尺度
拟序结构，上游杆件流动分离产生的剪切层并未在
杆件后方卷起而发展成为卡门涡街的流动结构，上、
下游海豹胡须柱上鞍面与节点面的相位差使流动呈
现强三维特性，削弱了剪切层之间的相互作用，减弱
图 4 气动力系数频谱曲线
Fig. 4 Spectra of the aerodynamic force coefficients 了近壁面涡旋波动强度，升力脉动得到有效抑制。