近日，我校机械工程学院噪声振动工程研究所毕传兴教授团队，联合南方科技大学刘宇教授团队、中国空气动力研究与发展中心宋玉宝副研究员团队，以及美国俄克拉荷马州立大学等单位，在强迫旋转圆柱绕流气动噪声主动控制研究中取得系列新进展。研究揭示了强迫旋转对圆柱近场压力、尾迹流动及远场噪声的调控规律与物理机制，为钝体气动噪声主动控制与低噪声设计提供了新的理论依据。相关代表性成果以“Near-field pressure and wake dynamics in aerodynamic noise control of a forced rotating cylinder”为题，发表于国际流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》（JFM）。JFM创刊于1956年，由剑桥大学出版社出版，是流体力学领域具有重要国际影响力的学术期刊。该刊以严格的同行评审和对研究原创性的高要求著称，仅刊发流体力学领域最具原创性与重要价值的研究成果。该论文由我校博士研究生杨成浩担任第一作者，是我校首篇由学生作为第一作者发表在JFM上的论文。
圆柱绕流是钝体绕流与气动噪声研究中的经典模型，其流动与声学问题广泛存在于飞机起落架、高速列车受电弓、风力机塔架、桥梁拉索等工程部件中。周期性涡脱落会辐射显著的低频单音噪声，湍流尾迹则产生宽带噪声，不仅影响乘坐舒适性和环境声质量，还可能诱发声致结构疲劳。围绕涡脱落抑制，研究者发展了多孔材料、波浪形表面等被动措施，以及吹/吸气、合成射流、等离子体激励和旋转等主动措施。其中，强迫旋转可随工况实时调节，且不改变构件原有外形、不破坏结构完整性，因而更具工程应用潜力；然而，其对三维尾迹结构和声源组织的影响规律与机理仍缺乏系统认识。针对上述问题，毕传兴教授团队开展了系统性研究（强迫旋转圆柱绕流研究示意图见图1）。
图1 强迫旋转圆柱绕流与实验装置：左为旋转圆柱旋转比α定义；右为航空声学风洞中的圆柱模型、旋转驱动系统与麦克风阵列
在机理方面，团队以亚临界雷诺数圆柱为对象，通过三维大涡模拟揭示了旋转对近场压力、尾迹结构和远场噪声的调控机制。研究发现，强迫旋转的降噪效果并非“转速越高越好”，而是随旋转比呈现明显的非单调变化：适度旋转可显著抑制涡脱落单音，过强旋转虽使离散单音消失，却可能抬升宽带噪声。如图2所示，随旋转比增大，上侧分离点向下游移动、剪切层先延长后缩短并向壁面偏转，涡脱落逐步受到抑制，α=4时尾迹中不再出现明显的交替涡核、涡量集中于近壁旋转层；图3进一步从三维DMD主导模态的角度表明，旋转不仅改变非定常载荷的幅值，还通过展向相位错位、近壁压力与尾迹速度耦合减弱和涡结构拓扑改变，重塑三维声源组织，从而调节分布式声源的远场辐射效率。这一认识突破了以往主要依据载荷幅值评价控制效果的局限。
图2 不同旋转比下圆柱绕流的时均展向涡量场（色标为ωzD/U∞）：(a)基准；(b) α=0.5；(c) α=1；(d) α=2；(e) α=4
图3 不同旋转比下三维DMD主导模态的空间结构（Q准则等值面，颜色为展向涡量）：(a)基准；(b) α=0.5；(c) α=1；(d) α=2；(e) α=4
在宽旋转比规律方面，团队将旋转比范围拓展至0～5，系统分析了单音噪声与总声压级的变化，归纳出四个声学响应阶段（图4）。这一结果揭示了旋转降噪效果的非单调变化特征，说明单音抑制与总体降噪收益需要分别评价，不能仅依据离散单音的消失判断控制效果。
图4 数值模拟得到的旋转比与声学响应规律：左为总声压级指向性随旋转比的变化；右为四个声学响应阶段的单音峰值与总声压级
在宽雷诺数与控制效率方面，三维壁面解析大涡模拟进一步表明，强迫旋转可通过推迟流动分离同时实现减阻与降噪，较高雷诺数下收益更为明显，噪声峰值与总声压级随旋转比呈幂律变化。图5给出了减阻效率与升力脉动降低效率随旋转比的变化：控制效率在低旋转比时快速上升，在α≈1附近出现转折，可为旋转类主动控制的工程可行性提供依据。
图5 强迫旋转圆柱的控制效率：(a)减阻效率；(b)升力脉动降低效率
在实验验证方面，团队首次开展了强迫旋转圆柱气动噪声控制的声学风洞实验，识别出基准单音主导、双峰过渡和高旋转比下附加窄带成分增强三个典型声谱阶段。通过对比有来流与无来流条件下的旋转噪声，量化了旋转驱动装置自身噪声对净降噪收益的影响，并在实验参数范围内归纳了雷诺数、旋转比与降噪效果之间的经验标度关系（图6），为实际运行条件下旋转参数的合理选取及降噪效果评估提供了实验依据。
图6 风洞实验获得的声学响应规律：全频带降噪（蓝）与增噪（红）区域及最优工况（黑点），虚线为最优工况经验关系
上述关于机理研究的成果发表于《Journal of Fluid Mechanics》，参数规律与风洞验证方面的成果分别发表于《Physics of Fluids》和《Journal of Sound and Vibration》等高水平期刊，合肥工业大学为该系列成果的第一完成单位和通讯作者单位。该系列研究从机理认识、参数规律到风洞验证形成了较为完整的研究链条，标志着我校在钝体绕流气动噪声控制方向的研究跻身国际前沿。该研究得到了多项国家自然科学基金项目资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1017/jfm.2026.12231
https://doi.org/10.1016/j.jsv.2026.120174
https://doi.org/10.1016/j.jsv.2026.119860
https://doi.org/10.1063/5.0296653
https://doi.org/10.1016/j.jsv.2024.118772
https://doi.org/10.1016/j.jsv.2024.118265
（李家柱/文 李家柱/图 蔡伟伟/审核）
责任编辑：雷磊
