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中航大洪志亮博士近期研究成果在流体力学顶级期刊上发表
来源:中国民航网2020-01-13 15:52:00

中国民航网讯:近日,流体力学国际顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics (JFM)》刊登了中国民航大学蓝天青年学者洪志亮博士所撰写的题为“Frequency lock-in mechanism in flow-induced acoustic resonance of a cylinder in a flow duct”的研究论文[ J. Fluid Mech. (2020), vol. 884, A42 ]。JFM作为剑桥大学出版社旗下的核心期刊之一,是流体力学领域国际排名第一的期刊。该论文的第一作者为洪志亮,中国民航大学适航学院为第一单位。这是学校首次在该顶级期刊上发表学术论文,对提升中航大在国际范围内的学术影响力起到了积极的推动作用。

流体诱发声共振不同于典型的流致振动,是一种由脱落涡与声波相互作用导致的声学共振现象,普遍存在于航空发动机压气机/燃烧室、火箭燃烧室、发电站热交换器等工程领域中。声共振可产生超过160 dB的高强噪声,不仅严重影响环境舒适性,还可引起结构件的声疲劳破坏,一直以来都是相关领域的热点研究问题。由于涡声相互作用具有强烈的非定常和强耦合特性,且声波较脱落涡的平均动力学量小3~5个数量级,这给数值仿真的精度和效率造成了巨大的挑战。因此,当前的研究手段主要是以实验观察为主,但数值仿真方法的缺失严重制约了研究者们对声共振物理机制的认知,特别是其中的脱落涡与声波之间的频率锁定机制。

针对这一难题,洪志亮及其合作者瞄准声共振的物理过程,通过离散涡方法、涡声理论和时域边界元方法的有机结合,建立了圆柱尾迹脱落涡诱发管道声共振的理论预测模型。与传统CFD方法不同,该模型基于无网格方法,大大提高了计算效率;在时域内同时求解流场和声场,以声质点速度为纽带实现了对涡声相互作用的实时刻画。模型对声共振频率和幅值的预测结果均可与实验数据充分对比,最重要的是,成功地捕捉到了声波和脱落涡之间的频率锁定现象。利用该模型的精细化预测结果,研究者揭示了声共振状态下的频率锁定机制:圆柱尾迹涡模态和管道声模态共同组成了一个非线性同步系统,频率锁定现象表现为涡模态与声模态之间的相互竞争,声模态占优与否决定了频率锁定区的宽度,从而可将频率锁定区细化分解成声模态占优区和声模态-涡模态同步区。有意思的是,频率锁定区内涡模态频率并非始终与声模态频率一致,这一结论明显区别于传统认识,弥补了先前研究对频率锁定现象的认知不足,不仅有助于深入理解受限空间中涡声相互作用导致结构振动的物理机制,还可直接用于指导声共振的抑制设计。该研究成果得益于国家自然科学基金的资助。

洪志亮毕业于北京航空航天大学,主修航空发动机流体与声学相关专业,于2019年4月作为“蓝天青年学者”引进至中国民航大学适航学院,此前有在航空发动机一线生产单位任职八年的工作经历,长期从事航空噪声预测与抑制、涡声相互作用、结构振动等相关的基础理论和实验研究工作,部分研究成果发表在Journal of Fluid Mechanics、Journal of Sound and Vibration、航空学报等权威学术期刊上。作为负责人承担了国防973项目子课题、国家自然科学基金青年基金项目、河北省科技计划项目等。

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