我国学者成功研发新型湍流边界层波数谱测量算法 航华仪器助推高精度气动噪声研究

    近日，我国学者在流体工程领域取得重要突破，成功研发一种基于互谱矩阵的直接测量算法，用于实验获取湍流边界层壁面压力波数-频率谱。该研究成果以《Investigation of the Direct Measurement Algorithm to Experimentally Acquire the Wavenumber–Frequency Spectrum of the Turbulent Boundary Layer Wall Pressure Fluctuations Using a Linear Surface Array》(使用线性表面阵列实验获取湍流边界层壁面压力波数-频率谱的直接测量算法研究)为题，已正式发表于国际著名期刊《Journal of Fluids Engineering》。论文第一作者及通讯作者为中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制研究中心的Zhao Kun博士，合作作者包括中国空气动力研究与发展中心的Chen Baokai、Zhang Rongping，以及湖南科技大学的Shi Jingyu、Zhang Xutong。

    湍流边界层壁面压力波动是飞行器、高铁、汽车等高速运载工具气动噪声与结构振动的主要源头，其波数-频率谱的精确测量对噪声预测与控制至关重要。传统算法在测量精度、计算效率等方面存在局限。本研究提出了一种新型一维直接测量算法，该算法基于时域平稳与空间均匀假设，通过引入互谱矩阵与平均化处理，显著提升了测量鲁棒性，并专门针对并行计算进行了优化设计，可高效处理表面阵列采集的海量实验数据。

    为验证算法有效性，研究团队在FL-11低速风洞中开展了实验，采用自主研发的32通道MEMS线性表面阵列进行测量，并辅以热线风速仪获取边界层特性参数。实验结果表明，新算法能有效捕捉波数-频率谱中的声学区域，并对湍流边界层对流及粘性区域提供准确测量结果，与经典Chase I模型预测趋势吻合，且在低波数声学区和高波数粘性区揭示了模型因未考虑可压缩性与粘性而存在的偏差，为发展更精确的预测模型提供了宝贵的实验数据支撑。研究还证实，结合共轭特性应用的并行计算能大幅降低计算耗时，且随着阵列传感器数量的增加，效率提升优势愈加显著。

    该研究在边界层参数测量中使用了航华仪器的CTA-04型恒温式热线风速仪系统。该设备具备高动态响应与近壁面分辨率，为精准获取摩擦速度、边界层厚度等关键参数提供了可靠保障，展现了国产高精度流体测量仪器在尖端气动声学实验研究中的成功应用与重要价值。该算法的成功开发与验证，标志着我国在湍流边界层精细测量与气动噪声源解析领域迈出了坚实一步，为相关工程领域的低噪声设计与优化提供了先进的测量工具与理论基础。

[1] ZHAO K, SHI J, ZHANG X et al. Investigation of the Direct Measurement Algorithm to Experimentally Acquire the Wavenumber–Frequency Spectrum of the Turbulent Boundary Layer Wall Pressure Fluctuations Using a Linear Surface Array[J/OL]. Journal of Fluids Engineering, 2026, 148(3). https://asmedigitalcollection.asme.org/fluidsengineering/article/148/3/031503/1228383/Investigation-of-the-Direct-Measurement-Algorithm. DOI:10.1115/1.4070447.