上一集我们和大家聊了金大侠的《天龙八部》，今天再来看看另一位武侠宗师古龙对于空气动力学的启示。相比于金庸的大气磅礴，古龙的江湖则更加飘忽不定、高深莫测。如果把飞机或者汽车的气动优化形容成摧枯拉朽的玄铁重剑，那么涡流发生器则更像是例不虚发的小李飞刀。

　　今天，咱们就来聊一聊涡流发生器如何像小李飞刀一样破风而行，实现**打击。

　　相信许多人都看到过飞机发动机浑圆的短舱上，通常会有一两个小翅片，没错，它就是涡流发生器。而空气动力学界的老司机们，肯定会有更深刻的凝视：这个小玩意儿到底是怎么起作用的？笔者也曾经百思不得其解，直到某天在飞机起飞时注意到，发动机悬吊处在缝翼放下后会形成一个凸台，而这个凸台似乎冥冥之中和前面的小翅片有所呼应。

　　涡流发生器究竟在做什么，通过下面这个动画便可一探究竟。小翅片形成的涡流如同一股“刀气”，准确的到达缝翼打开后形成的凸台上方——而这正是飞机大攻角爬升条件下容易发生流动分离的位置。

　　用空气动力学的语言总结一下：涡流发生器实际上是一种安装在机体表面上的导流片，其构型类似于一种小展弦比的机翼，所以它在迎风气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡。但是由于它的展弦比很小，其翼尖涡的强度相对较高。这种高能量的翼尖涡通过掺混作用将能量传递给下游，使处于较差流动条件下容易发生分离的边界层获得附加能量，能够继续贴附在机体表面，抵抗分离。事实上在许多机翼的前缘，都安装了涡流发生器以增强机翼大攻角条件下的升力。

　　涡流发生器凭借着其小巧精干的身材和高效的抑制流动分离的能力成为了众多工程师青睐的武器，不仅在航空领域获得的广泛应用，汽车和风力机上也常常使用涡流发生器来阻止各种气流的过早分离。

　　熟悉本专栏的朋友应该还记得，我们在尾翼那篇文章中曾经提到，三菱EVO通过在车顶安装涡流发生器来抑制后风挡附近的流动分离。同样，风力机叶片也常常在前缘后部增加涡流发生器来控制表面的流动，如下图所示。

　　小李飞刀固然犀利，不过平时兜里揣一打飞刀行走江湖，即便不扎腿，它走路也费劲啊。同样，涡流发生器可以通过抑制流动分离增强飞机大攻角爬升时的升力，可是对于流动光顺的巡航工况，这个时候的涡流发生器难道不会因为产生涡流而增加额外的阻力吗？

　　勤劳的流体力学工作者们真是不容易，打完了流动分离的地鼠，还要接着去打流动不分离的地鼠。学者们通过大量的研究，提出了亚边界层涡流发生器和微型涡流发生器的概念。这类微型涡流发生器的高度比当地边界层厚度还小，甚至仅为当地边界层厚度的1/10，它可以增加边界层底层的流场能量，能阻止大的逆压梯度形成并延缓边界层分离，而且又不产生大的附加阻力。研究表明，该类微型涡流发生器可使升阻比提高一倍以上。看来，行走江湖还是得带着“迷你”小李飞刀。

　　小李飞刀之所以能够名动江湖，靠的就是能文能武：“文能提笔安天下，武能上马定乾坤”。前面，我们聊了涡流发生器在气动方面的应用，下面再一起来看看另外一个“妙用”吧。

　　作为空客长久以来的当家花旦，A320系列飞机长期占据着民航单通道客机的半壁江山。然而，空客A320却长期被一个小小的噪声问题困扰着：A320在降落时会发出频率约为500-600Hz的特征性啸叫，该啸叫是由于空气冲过机翼下表面的燃油过压保护器（FOPP）的圆形空腔而产生的。

　　就是上面这对看上去像极了“龙凤双环”的圆形空腔产生的啸叫问题居然折磨了空客和航空公司多年，幸好咱们还有“例不虚发”的小李飞刀。前几年，德国宇航中心（DLR）开发了一个非常简单而又便宜的改造方案，就是在空腔的前面安装一个小的铝制“涡流发生器”，如下图所示。

　　很难想象这个小小的涡流发生器居然能够产生这么强的降噪效果：下图对比了A320分别安装/未安装该涡流发生器的情况下，以负2°的持续下降工况降落到机场的过程中，机场接收到的飞机噪声的对比。可以看到，在增升装置打开之前（图中的1点），上述的空腔啸叫为*主要的噪声源，而涡流发生器的使用显着降低了噪声的水平，*大降低约为9dB。当然，随着增升装置和起落架的逐渐开启，机身的主要噪声源转移到了增升装置和起落架上，有/无涡流发生器之间的差异逐渐缩小。

　　由于该涡流发生器显着改善了飞机在初始进场阶段（距离机场12-40km）的噪声水平，得到了航空公司和空客的认可。于2016年开始逐渐在各航空公司开始装机空客A320系列飞机。

　　估计这会该有小伙伴要问了，这玩意儿为什么能改善空腔啸叫呢？

　　想要知道百晓生兵器谱排名第三的小李飞刀如何打败排名第二的龙凤双环，我们就仔细观摩一下李寻欢和上官金虹的**对决吧。

　　对于下图所示的开口空腔，当光顺的流体流过开口前缘的时候，由于气流的粘性，会形成周期性的脱落涡，而脱落涡在向下游运动时，会与空腔尾缘相互作用并产生声激励，空腔在声激励作用下产生相应的声响应，当声响应的频率和前缘涡脱落的频率一致的时候，空腔内的声响应便会激发前缘的涡脱落，进而形成锁定的自激振荡。

　　由此可以看出，消灭空腔啸叫*简单粗暴的办法就是把空腔堵上。如果老板实在不允许把空腔堵上，则可以试一试下面两种办法：

　　在前缘安装一个倾斜向上的导流板，把流体远远的引开，就可以避免流体和空腔尾缘的相互作用，进而减弱或者避免声激励的产生；

　　还有一个方法就是将空腔前缘产生的周期性脱落涡打碎，前缘周期性脱落涡来源于光顺的流动，如果来流本身就已经是琐碎的涡系结构，就无从产生周期性脱落涡的概念了。

　　而上述改善A320空腔啸叫的“涡流发生器”便结合了上述两种方法，于是就产生了这种立竿见影的效果。

　　小李飞刀行走江湖多年，也阅敌无数，我们再一起来看看另外一个有趣的案例吧。

　　普惠公司分别使用实验和仿真研究了某发动机冷却组件的空腔噪声问题【AIAA 2019-2691】。下图给出了滤波后不同时刻的非定常压力，可以看出空腔在来流作用下呈现深度方向上的声腔模态。当深度模态的声压向前辐射到达空腔开口时，与空腔边缘相互作用，产生与主波不同步的压力源。空腔产生的压力模式呈现出正负交替的波瓣模式。而相应的远场噪声对比显示了实验和仿真得到的宽频及窄带峰值吻合较好。

　　为了降低空腔噪声的水平，普惠尝试在空腔前部增加突出物，详细的流场分析表明：该突出物引起了流动的强制分离，进而形成更细小杂乱的涡系结构，同时改变流动的轨迹，使得分离流动直接撞击空腔尾缘，避免了流体直接加速之后流向空腔，导致更强的涡结构和声腔共振。

　　远场噪声对比显示，上述的突出物显着降低了峰值的声压级水平，同时略微降低了高频区域的宽频噪声，而实验和仿真的结果也吻合得很好。

　　写到这儿，可能很多人觉得无论是A320的“涡流发生器”还是普惠的“突出物”都不是传统意义上的涡流发生器，而更像是一个导流板。

　　实际上，随着工程上需要解决的问题越来越多，传统的涡流发生器出现了越来越多的变种，无论是形状，还是使用场景。通常情况下，通过在壁面附近安装某些细小的凸起结构，通过产生涡流来改善流场或者达到某种想要的效果，都可以认为是广义的“涡流发生器”。

　　还记得在“风噪优化”那篇文章中，我们提到过汽车三角板上面的导流鳍对于风噪没有影响。然而，很多细心的小伙伴还是会发现，有的后视镜上面居然也安装了类似“涡流发生器”的结构。结合我们在“风噪实验”那篇文章中提到的“破箭式”，想一想这种“小李飞刀”能用来干嘛呢？