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有限支撑柱体流致噪声综述
摘要：本文回顾了以往关于圆形和方形截面的有限壁支撑柱体产生的流动和流动诱导噪声的研究。对绕着一个方形的流动是有一定了解的。相反，围绕圆形的有限支撑柱体流动没有得到很好的理解，特别是在沿长度方向的涡脱落的现象的时候。长径比（圆柱体长度与直径之比）对近尾流结构的影响在文章中进行了最广泛的研究。然而，进入边界层的高度对近尾流结构的影响尚未得到全面的研究，尽管它被认为是对尾流发展的主要影响参数。同样，对圆形有限薄壁支撑柱体的流噪声进行的研究只有少数，而且普遍缺乏关于圆形有限壁装圆筒在横向流动中的流动噪声特性和机制的数据。然而，有限数据集的合并产生了几个噪声假设：1低频音调噪声产生是因为尾流分离结构沿着圆形和方形的有限壁支撑柱体长度方向发展；2增加边界层厚度将促进音调噪声的产生。
1 引言
横向流作用下的有限壁支撑圆柱在工程中经常出现。烟囱，风力涡轮机桅杆，商业建筑，潜艇附属物，高速铁路受电弓和飞机起落架就是一些平常的例子。横向流动中的有限薄壁支撑柱体往往会成为也是不想要的流致噪声源。了解这些结构的流噪声产生机制是很重要的。此外，有限壁薄壁支撑柱体的流动动力学在气动设计和优化方面也有应用。
图1中给出了有限壁薄壁支撑柱体的一个例子。圆体的一端浸入自由流（称为“自由端”或“尖端”),另一端固定在平板上（称为圆柱壁“连接”或“基座”），它受到高度delta;的边界层的影响。圆柱的几何特征是它的跨度L，和它的直径D，噪声是由机体周围不稳定的流动结构产生的，这些结构会引起圆柱表面和连接区域的压力波动。
图1 FWMC安装到直径为D，跨度为L的平板上，自由流速度U和进入边界层高度delta;流动
对于一个不包括连接或者自由端影响的“二维”或“无限”圆柱体的流动是有很好的记录的。对于二维圆柱体，流动动力学主要是被周期性的尾流不稳定性主导的，这种尾流不稳定被称为冯卡门涡脱落。这种流动现象发生在圆柱一侧的分离剪切层在尾流中旋转，然后接着在另一侧继续脱落。涡度的交替脱落发生在一个特定的频率，这通常是以无量纲形式表示的圆柱直径的斯特劳哈尔数，，其中是自由流速度。
冯卡门涡脱落会引起圆柱表面的压力波动，从而导致在远场产生与频率等于脱落频率风声噪声。菲利普斯应用Curle理论在一个二维圆柱体上流动，来预测冯卡门涡脱落产生的风声噪音水平。然后对这一构想很多人进行了广泛的实验和数值研究。
与二维圆柱不同，一个FWMC包括一个自由端和一个连接交汇处，它将三维流动结构引入尾流。大多数关于FWMC的研究都集中在流动方面。最近有一些研究对FMWC产生的噪声的各个方面进行了研究（比如Becker等人，2008年；Moreau和Doolan，2013年；Porteous等人，2013年）。然而，几乎没有研究将圆柱周围的流动动力与声联系起来，且负责产生噪声的声学机制仍不清楚。
此外，对FWMCs流动动力的研究也是落后的。不同的实验条件，跨越30年的研究使直接比较结果变得困难。因此，关于FWMC周围流动的特性仍然存在问题。例如，来流边界层的相对高度，即，对涡脱落特性的影响仍未解决。这个问题使得人们很难理解流动力与流致噪声之间的关系。
本文的目的是回顾目前有关FWMCs流动和噪声的文献，并确定和进一步研究FWMCs流动引起噪声的相关知识。然后，将这种流动和噪声研究的结合去总结关于噪声产生机制的猜想，并评论如何扩展现有的研究。
本文讨论仅限于的FWMCs在低马赫数下的不可压缩流动。对于具有的FWMC，读者可以参考Hajimirzaie和Mason和Morton（1987年）等人的工作。此外，尽管一些开创性的数值研究已经得出结论，但是本文主要侧重于实验研究方面。关于FWMCs的其他数值研究，请参考Afgan等人（2007年）的研究。
- FWMC周围的流动结构
围绕FWMC的流动比它的二维对应物的流动更复杂。圆形FWMC周围的一般流动结构如图所示。它是由四个不同的平均涡旋系统组成：一个尖端涡
旋系统、一个卡门涡（类似于二维圆筒）、一个基涡系统和一个马蹄涡系统。
图2 FWMC周围的近尾流特征
尖端区域的特征是自由端上分离和向下冲洗，最终从尖端后缘形成复杂的三维流动结构。通常，在该范围内的平均流量模型的特征在于一对反向旋转的涡流，这些涡流会引起向下冲洗并进入圆柱体尾流。由于圆柱体前面边界层涡旋的分离和卷起，在底部形成了马蹄涡流系统，其边界缠绕在结构的底部。基础流再循环区域中通常还具有一对与涡流方向相反的反向旋转涡流，这些涡流会导致向上进入近尾流。底部和尖端涡与中跨卡门涡系统相互作用，以部分或完全改变人体周围的流场。已经发现，马蹄形涡旋对近尾流结构的影响要比其他涡旋系统的影响要轻得多，但通常被忽略了。在不久的将来，对于与马蹄涡绕圆柱体系统动力学有关的论文，读者可以参考Baker（1980）Devenport和Simpson（1990），Ballio等人的著作。
FWMC周围的总体流动结构也将因FWMC相对于撞击流的几何形状而改变。长径比（圆柱长度与直径的比值，）是影响FWMC周围流动的主要几何特征。例如，具有较低长径比的圆柱体可能不会经历中跨涡脱落和在自由端对基部延伸的向下冲洗效果。撞击边界层的高度相对于圆柱体长度的高度即，对流动结构也有重要影响。研究表明，增加相对边界层高度可以增加基础涡旋结构的强度（Wang等，2006），这将对沿整个圆柱长度的近尾流结构产生重大影响。根据Bourgeois等人研究，对整体流动结构的影响大于雷诺数(在100到10000）和流动的湍流强度的影响。
表1总结了实验流场研究，这些流场研究了几何和流场参数如何影响方形和圆形FWMC的总体流动结构。这些研究按时间顺序排列，并显示出长径比（），雷诺数（）和在每个研究中进行了调查的相对边界层高度（）。从表1中可以看出，尽管存在大量数据，但是很少有系统改变长径比以外的参数的研究。例如，只有Sakamoto和Arie（1983）的一项研究调查了改变进入边界层的相对高度对圆形FWMC流动的影响。尽管事实是边界层高已被确定为控制近尾流结构的主要流场参数。
表1单侧自由端安装在平面的圆柱体前期实验的总结
表1还表明，在过去10年中，研究重点已经转移到方形FWMC的研究上。 实际上，尽管对方形柱体的研究较少，但Bourgeois等人最近对详细实验工作的增加（2011年）和Sattari等人（2012年）使用相均平均粒子图像测速技术（PIV）都得到对此类物体接近尾声时流动结构的类似解释。结果，人们对方形FWMC的周期性近尾流结构有了大致相同的理解。
相反，尽管已经提出了几种圆形FWMC尾流结构的模型，但仍没有明确的共识。这部分是因为缺乏对沿圆形FWMC长度的瞬时和分相平均结构进行全面的全场分析（例如粒子影像测速）。因此，分别讨论方形和圆形FWMC的近尾流结构是合适的。
2.1方形FWMC周围的流动
的方形FWMC发出的周期性相干流动结构的现代范式由交替散开的涡流编织物组成，它们在自由端完全相互连接。这些编织物在柱体的末端附近变形，从而产生沿水流的涡流。自由流撞击到柱体的上游表面，并在侧面或自由端重新定向，在自由端锋利的前边缘分离。柱体两侧的气流进入规则的交替卡门涡阶。FWMC的背风面和即将来临的自由流之间的压力差会在柱体尾流时引起下冲（分离的剪切层在自由端上方的向下运动）。由于方形轮廓的高度虚张性，分离的剪切层不会重新附着在柱体的顶部（Rostamy等人，2013）。分离的自由剪切层用于在涡脱落时将涡流丝从柱体的一侧连接到相对侧。自由端的向下冲洗将导致涡流丝在尖端附近向上游弯曲，同时，柱体壁附近的速度梯度的存在将导致涡脱落的对流速度减慢，从而使涡流丝在基部附近向上游弯曲（Wang和Zhou，2009年）。这导致涡流丝在横流平面上投射出由四个反向旋转的涡流组成的系统，称为“四极”分布（Sattari等人，2012）。圆柱体底部的投影称为“基本涡旋”，自由端的投影称为“尖端涡旋”。在下游，基础涡流的强度（总循环量）减小，并且随之而来的是，涡流丝在基础附近的倾斜度减小。Wang和Zhou（2009）是最早描述了这种长径比柱体的这种脱落模型的作者，因此将其称为“王模型”。
Bourgeois和Hosseini等人提出了与Wang模型（称为“Bourgeois模型”）相关但不同的模型。涡流丝定期从任一侧脱落，并在两端与连接线连接，从而形成一个完全连接的交替环状结构，并在下游对流。该模型如图3所示。
图3. Bourgeois等人和Hosseini等人针对方形FWMC的近尾波提出的准周期流动模型
这些流动模型与Kawamura（1984），Lee（1997）和Wang（2004）的早期模型相反，后者提出尖端涡旋，基部涡旋和中跨卡门交替涡旋是独立的流动结构，与图7相似。Wang和Zhou（2009）的相干光谱分析和染料流可视化证实了柱体各部分的结构是相同的实体，至少对于的方形柱体而言是这样，进行研究的比率范围（见表1）。
Sakamoto and Arie（1983），Wang（2004）和Wang and Zhou（2009）研究了长径比对方形柱体流动结构的影响。Sakamoto和Arie（1983）表明，随着长径比的降低，涡脱落频率降低,且小于二维的结果。这归因于在较低长径比下，整个柱径上的向下冲洗的影响较大，从而延长了涡流形成区域，降低了脱落频率（Moreau and Doolan，2013）。Sakamoto and Arie（1983）还确定了一个“临界长径比”即。在此之下，尾流结构发生了变化。关键长径比发生在自由端的向下冲洗引起了近尾流，并且在许多研究中都已经确定存在关键长径比（Wanget等人，2004；Sattari等人，2012；Moreau和Doolan，2013）。Sattari等人（2012年）解释说，在临界长径比下，尾流结构从“四极”分布变为“偶极”分布。在后一种情况下，尾流中仅存在一对引起向下冲洗的反向旋转涡流，尾流变为“半环脱落结构”。这些涡流起源于自由端并确定了自由端流动的优势低于临界长径比。Wang等人（2004年）表明，在临界长径比以下，以下游冲洗为主的尾流往往会增加湍流并加宽尾流中测得的旋脱落信号的频谱峰值。还应该注意的是，即使在低于方形柱体的临界长径比的情况下，速度尾流信号中也始终存在一个频谱峰值（Wang和Zhou，2009）。仅对于非常短的长径比（）远低于临界长径比，尖锐的峰才会消失。
Sakamoto和Arie（1983）提出，当长径比低于临界值时，交替出现的卡门涡旋就不复存在，取而代之的是不那么连贯的“对称”涡旋，正如它们的名字所暗示的，该涡旋同时消失在身体的侧面。该结论是基于对称布置的涡流在近尾流处的烟流可视化图像。Wang and Zhou（2009）的原始解释也解释了对称脱落的概念。在提出的流动模型中，对称和反对称涡脱落都发生，但是概率不同。在交接区和自由端区域出现对称脱落的可能性更高，在该处，上洗流和下洗流的存在往往会促进对称脱落。相反，在柱体的中跨中，尖端和柱体壁的影响减小，反对称脱落的可能性更高。当长径比低于时，自由端的向下冲洗会延伸到柱体的底部，从而完全抑制中跨卡门涡流并产生对称脱落的涡流结构。
Sattari等人（2012年）提供了另一种解释，即在方形柱体中不存在同时脱落的涡流。相反，脱落总是反对称的，并且与高振幅压力波动（模式A脱落）或低振幅压力波动（模式B脱落）相关。模式B的特征是在方形柱体的两侧同时存在两个反向旋转的涡流，它们看起来是对称布置的，但是却是错相的。这种类型的脱落在存在下冲的柱体自由端附近发生的可能性更高。这也解释了为什么当自由端流在临界长径比以下的低长径比柱体的尾流结构中占主导地位时，仍会出现稍宽的脱落峰。
Sakamoto和Arie（1983），Wang等人（2006）和Hosseini等人（2013）最近研究了边界层相对高度对方形柱体长度的影响.Sakamoto和Arie（1983）发现增加边界层高度可抑制方形柱体中跨中的涡脱落。Wang等人（2006年）还表明，增加边界层高度会增加基部附近的上冲气流的强度。这在远近柱体壁区域之外具有深远的影响，并起到减弱自由端上的向下冲洗的作用，从而促进尖端附近的模式A脱落和底部附近的模式B脱落。目前尚不清楚Sakamoto和Arie（1983）的发现是否符合所提出的Wang或Bourgeois流模型，因为作者没有讨论进入边界层高度对涡脱落频率的影响。另一方面，Hosseini等人（2013年）发现，涡脱落频率在的方形柱体的整个长度上保持恒定，而与边界层的高度无关。有趣的是Hosseini等人（2013年）还表明，当边界层厚度从柱体长度的10％增加到30％时，尾流从偶极尾流变为四极尾流结构。
2.2 圆形FWMC周围的流动
虽然已经提出了几种圆形FWMC的近尾流结构模型，但是，尚未阐明涵盖所有测试的长径比范围（高达）的单一模型，该模型可以解释所有近距离尾流现象。尽管事实如此，但大多数有关FWMC的研究都集中在具有圆形横截面的研究上，如表1所示。
2.2.1 提倡的近尾模型
圆形FWMC最重要的尾流模型是Sakamoto和Arie（1983），Kawamura（1984），Lee（1997），Pattenden等人（2005），Frederich等人（2008）和Krajnovic(2011）提出的模型。图4-7概述了这些竞争的尾流模型。
Sakamoto and Arie（1983）的模型如图4所示。有人提出，在高长径比的情况下，圆柱体在整个圆柱体长度上会产生卡门交替的涡流。当长径比降低到临界长径比以下（）时，脱落量从卡门型变为对称脱落的拱形结构。该模型本质上是二维的，并且缺少有关流的三维性的重要细节。基本涡旋和尖端涡旋没有考虑在内，并
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