浙江大學葉青青研究員團隊發表論文：流向翅片對湍流邊界層壁面壓力源的調控機制 
研究背景：機翼后緣噪聲是飛機、風力機和發動機螺旋槳的主要噪聲來源之一，它是由湍流邊界層與鋒利后緣的相互作用引起的，具有寬頻特性。受到貓頭鷹安靜飛行啟發，近年來，一種模仿鳥類翅膀細密羽毛結構的新型流向翅片設計，已成為后緣噪聲被動控制領域備受關注的研究方向。通過在機翼后緣位置安裝細長翅片陣列，可以改變邊界層流動結構分布特征和含能量，進一步影響壓力脈動和輻射噪聲強度。目前的研究缺少流向翅片對邊界層內部不同尺度湍流結構影響的深入理解，難以建立與壁面壓力脈動和噪聲的直接關聯。 針對以上問題，浙江大學葉青青研究員團隊應用多物理場耦合測量的方法，旨在更深入解釋流向翅片對湍流結構、壓力脈動和噪聲的調控機制。實驗在浙江大學低速聲學風洞開展，采用時間解析PIV和壁面壓力脈動的同步測量分析湍流結構與寬頻壓力脈動關聯（圖1），并利用遠場麥克風驗證對遠場噪聲的抑制效果。結果表明，流向翅片在分離和近壁剪切層區域誘導生成發卡渦和展向渦結構，實現調制湍流邊界層流動結構分布特征的效果（圖2）。通過“破壞”大尺度湍流結構、“抬升”小尺度湍流結構兩個主要機制，降低近壁速度脈動和剪切應力強度。 
圖1. 時間解析PIV和壁面壓力脈動同步測量裝置示意圖，(a) 三維視圖，(b) 翅片平面，(c) 翅片間平面。
圖 2 瞬時流向速度(u/U∞) 和流向速度脈動(u’/U∞) 云圖，(a, b) 無翅片，(c, d) 翅片平面，(e, f) 翅片間平面。 采用壓力-速度相關性分析方法（p-u correlation），揭示了湍流結構空間分布特性對低、中、高頻段壁面壓力脈動貢獻機制（圖3）。對于無處理的湍流邊界層來說，中頻的對應的發卡渦結構與壓力脈動呈現強相關性。發卡渦引起的噴射和掃掠事件是主要壓力脈動源。然而，流向翅片對p-u相關性的結果產生了明顯影響。在低頻段，翅片本身誘導的近壁弱流動分離和展向渦結構具有流向大尺度特征，使流動結構對低頻段壓力脈動的貢獻增加。但是在中頻段，翅片對湍流邊界層大尺度發卡渦結構產生明顯破壞作用，使得無處理條件下正負交替的p-u相關性強度大幅減弱。在高頻段，p-u相關性幾乎消失。這樣的結果與壁面壓力脈動功率譜和噪聲幅頻特性在不同頻段的變化一致。這揭示了翅片誘導的不同尺度流動結構對壁面壓力脈動的影響機制，從而解釋了翅片處理能降低中高頻噪聲的原因。 
圖 3 不同頻帶的壓力速度相關性(p-u correlation)，(a, b) 全頻帶，(c, d) 低頻帶，(e, f) 中頻帶， (g, h) 高頻帶，(a,c,e,g) 無處理，(b,d,f,h) 翅片控制；黑色虛線表示壓力傳感器所在位置。 進一步分析湍流結構生成演化對極端壓力事件的影響（HAPP）。通過對壓力脈動信號中的極端事件進行條件提取發現，流向翅片使得極端壓力脈動事件出現概率減少50%，從而實現有效降低聲源強度效果。 該研究成果以Manipulation of mid- and high-frequency wall-pressure sources by streamwise finlets為題發表在流體力學頂級期刊Journal of Fluid Mechanics。浙江大學航空航天學院博士生潘之航是該文的第一作者，葉青青研究員是該文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金（12372280）和國家重點研發計劃（2020YFA0405700）的資助。 原文鏈接： https://doi.org/10.1017/jfm.2024.1192
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