近日，南方科技大学力学与航空航天工程系刘宇课题组关于结构化多孔覆层圆柱内部流场观测及其涡脱落机理的研究工作取得重要进展，相关成果以“Internal shear layer and vortex shedding development of a structured porous coated cylinder using tomographic particle image velocimetry”为题在流体力学领域顶级期刊Journal of Fluid Mechanics发表。该研究通过流动显示与层析粒子图像测速（Tomo-PIV）技术，对透明结构化多孔覆层圆柱的内部及近壁流场进行了测量分析，首次实现了对多孔介质内部剪切层发展与涡脱落机理的实验观测，提出了无量纲涡脱落频率的特征流速修正并与实验及数值结果吻合良好。

圆柱绕流的流动与声学特性是人们多年来一直关注的研究主题，因为它与工程应用中的大量流动情况类似，包括飞机起落架支杆、高速列车受电弓、风力机塔筒，以及桥梁、烟囱、输油管道等大量应用。多孔覆层可有效抑制圆柱绕流的涡脱落现象，然而其控制机理尚未完全厘清，其中多孔介质的内部与近壁区流场对机理理解至关重要。对多孔覆层的内部流场研究有助于深入理解多孔介质流动如何影响圆柱绕流的尾迹发展，但其实验测量极具挑战，目前尚未有相关实验报道。

图1 SPCC迎风面时均速度场：（a）总速度，（b）流向速度，（c）法向速度，

（d）回流速度，（e）流线分布

针对多孔介质内部流场的测试需求，研究人员提出了结构化多孔材料的创新性概念，并结合透明材料3D打印制作了结构化多孔覆层圆柱（SPCC）。本研究与荷兰代尔夫特理工大学合作开展，通过流动显示和Tomo-PIV技术进行了一系列水洞试验（雷诺数分别为7000和73000），深入分析了SPCC的迎风面和圆周中部区域的多孔层内部与近壁流场。

图2 SPCC迎风面流动滞止边界的时空变化

图3 SPCC圆周中部流向速度脉动的2阶POD模态在涡脱落频率处的等值面图

在SPCC迎风面的多孔层内观察到流动滞止区域，其边界在多孔层内随时间脉动，并且影响了SPCC内壁面上的边界层发展。此边界层从SPCC内壁面分离并形成在多孔介质内部发展的剪切层。通过对分离剪切层内的频谱分析，首次实验揭示了穿透SPCC多孔表面的涡脱落过程，并证实其源自SPCC内壁面。同时发现多孔层内的剪切层速度脉动具有涡脱落频率，并以低于自由来流的流速穿透多孔表面，基于此特征流速对应的斯特劳哈尔数可准确预测SPCC的涡脱落频率。

图4 SPCC内部与近壁流场的主要流动特征与机理总结

除了多孔介质内部流动实验观测与涡脱落机理的研究进展以外，刘宇课题组近期还在多孔覆层圆柱的流场数值模拟、近壁与远场压力测量、以及减阻降噪优化设计方面做出了一系列原创性的工作，相关研究成果分别发表于气动声学与流体力学领域权威期刊Journal of Sound and Vibration，Physics of Fluids，以及Aerospace Science and Technology。

刘宇课题组研究助理教授Elias Arcondoulis博士为论文第一作者，刘宇副教授为通讯作者，南科大为第一及通讯作者单位。合作单位还包括荷兰代尔夫特理工大学、英国布里斯托大学和澳大利亚阿德莱德大学。该研究得到了国家自然科学基金委员会的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2023.473

供稿单位：力学与航空航天系

通讯员：史露静

主图：丘妍

编辑：周易霖