小控制桿對矩形柱尾流旋渦脫落的抑制

鄭博文,邵傳平,張洪軍

(中國計量學院計量測試工程學院,浙江杭州310018)

當流體以一定速度流過鈍頭物體時,會在物體尾部形成規(guī)則的旋渦脫落.旋渦脫落物使面兩側(cè)的壓力分布交替變化,從而產(chǎn)生作用于物體的交變載荷[1-4].這種交變載荷造成結構的疲勞損傷,當旋渦脫落頻率與結構固有頻率接近時,會產(chǎn)生共振[5],造成結構的直接破壞.旋渦尾流還具有增大物體阻力[6]和產(chǎn)生噪聲[7]等不利影響.

多年來,人們從理論和工程應用角度對鈍體尾流進行控制研究,發(fā)展出了不少控制方法[8].這些方法可分為兩類,一類是主動控制,需要外加能量驅(qū)動控制裝置;另一類是被動控制,不需要外加能量.這些方法,有的用于控制圓柱等具有圓滑表面的鈍體尾流,占大部分;有的用于控制矩形柱等表面具有尖銳突起邊緣的鈍體尾流,占少部分.對于圓滑表面鈍體尾流,早期控制的基本思路是通過對邊界層的干擾,改變其分離,達到抑制旋渦脫落,減小阻力的目的,主要方法有:1)在圓柱表面設置粗糙元,促進邊界層由層流轉(zhuǎn)捩成湍流,增強與層外流體的動量交換,增加層內(nèi)流體抵抗逆壓梯度的能力,改變分離位置;2)在圓柱前方設置干擾物等,增大來流湍流度,促進圓柱邊界層轉(zhuǎn)捩,推遲分離;3)將圓柱表面加熱,促進邊界層內(nèi)外動量交換,改變分離;4)用聲波對邊界層進行干擾,促進轉(zhuǎn)捩,推遲分離;5)對邊界層進行吹氣或抽吸,控制分離,等等.對于有尖銳邊緣的鈍體,邊界層分離位置固定,上述推遲分離的方法不再有效.對于具有尖緣的情況,人們發(fā)展了幾種方法:1)在尖緣處設置旋轉(zhuǎn)小輪,在轉(zhuǎn)輪幫助下,使流體順利繞過尖緣,不發(fā)生分離;2)在尖緣后面設抽吸孔,在抽吸作用下,流體順利繞過尖緣,不發(fā)生分離,3)將尖緣消減為圓滑,改變分離,但這種方法會破壞原有鈍體結構的形狀.有尖緣鈍體的分離控制,一般要用主動控制方法,需要外加能源驅(qū)動,也會造成能源的損耗.

研究表明,即使不改變分離位置,也可以抑制旋渦脫落的產(chǎn)生.Roshko[6]和Bearman[9]分別在圓柱和方柱后面設置隔離板,有效地抑制了旋渦脫落.1966年,Gerrard[10]提出了旋渦脫落模型,指出鈍體兩側(cè)的分離剪切層的相互作用是旋渦脫落產(chǎn)生的原因,并認為鈍體后隔離板的功能,就是防止兩側(cè)剪切層的相互影響,從而達到抑制旋渦脫落.Yu與Su[11]研究了矩形柱體近尾跡區(qū)域水平布置隔離板對作用在矩形柱體上的周期性交變力進行抑制.Lee與Kim[12]研究了與水平地面之間一定間隙的矩形柱繞流,發(fā)現(xiàn)矩形柱體的寬厚比和間隙對尾流具有較大影響,基于Gerrard的旋渦生成模型,他們嘗試了在柱體尾流后面添加垂直或者水平板來減少兩剪切層的互相作用,達到抑制旋渦目的.Ali和Doolan[13]將一平板固結在一矩形柱后面,在低雷諾數(shù)和低馬赫數(shù)下研究平板對矩形柱體后噪聲強度的抑制.

但是,最近Shao和Wang[14],Shao和Wei[15]以及邵傳平等[16]的實驗證據(jù)并不支持Gerrard的旋渦生成模型.他們研究了圓柱、方柱和矩形柱的控制問題,發(fā)現(xiàn)在柱體后面一定區(qū)域內(nèi)放置小控制件時,柱體一側(cè)的分離剪切層被分散,旋渦脫落被抑制,而另一側(cè)旋渦脫落仍然存在,并且脫落頻率幾乎與未加控制時相同.這種單側(cè)旋渦脫落無法用Gerrard模型解釋.

1980年代以來,Koch[17],Pirrehumbert[18],Monkewitz[19]等引入局部絕對不穩(wěn)定性概念,研究鈍體旋渦脫落現(xiàn)象.發(fā)現(xiàn)鈍體近尾流速度剖面是絕對不穩(wěn)定的,并認為有一個足夠大的絕對不穩(wěn)定性區(qū)的存在,是旋渦脫落產(chǎn)生的原因.Hammond和Redkopp[20]在圓柱尾部噴射或吸入流體來消除絕對不穩(wěn)定性以抑制旋渦脫落.Strykowski和Sreenivasan[21]在主圓柱后面一定位置處放置一個很小的圓柱,在雷諾數(shù)小于150情況下,改變尾流穩(wěn)定特性,有效抑制了旋渦脫落.邵傳平[22]在圓柱體后面放置窄條形小控制件在較高雷諾數(shù)下抑制了圓柱后的旋渦脫落,并對未加控制和控制以后圓柱尾流速度剖面進行穩(wěn)定性分析和對比,發(fā)現(xiàn)旋渦被抑制時,絕對不穩(wěn)定性區(qū)很小,而未被抑制時,絕對不穩(wěn)定性區(qū)較大.

除了將小控制件放于鈍體后面的方法外,還有將小控制件放于鈍體前面的方法,其原理是利用控制件尾跡對鈍體邊界層或分離剪切層進行干擾,也有抑制旋渦脫落的效果.

薄矩形柱體繞流在橋梁、機翼、高層建筑等方面具有實際意義,但研究較少.邵傳平等[16]用薄窄條來控制矩形柱體尾流,在雷諾數(shù)和窄條相對寬度固定情況下,研究了不同寬厚比的矩形柱尾流的控制,得到的有效抑制柱體兩側(cè)旋渦脫落的控制件位置區(qū)域從柱體前方延伸到柱體后方.在本文中,我們將研究窄條相對寬度變化對旋渦脫落抑制效果的影響,同時研究雷諾數(shù)效應.

1 實驗方法

實驗在中國計量學院循環(huán)式風洞中進行.風洞由風機、擴壓段、整流段、收縮段和實驗段五個部分組成,其中實驗段長2 m,橫截面尺寸為600 mm×600 mm,能夠提供速度范圍0.5～30 m/s的均勻氣流,湍流度小于0.5%.薄矩形柱體和控制桿由不銹鋼制成,柱體長60 cm,寬度為B,厚度為 H;控制桿長60 cm,寬度為b,厚度為h.如圖1所示,矩形柱豎直(沿Z軸)跨過風洞試驗段,柱體軸線與風洞試驗段橫截面對稱線重合,柱體的寬表面與來流平行放置.控制桿位置可調(diào),其軸線與柱體軸線平行,其寬度b所在的表面與來流方向垂直放置.實驗測量的工況如表1所示.

圖1 薄矩形柱體和控制件幾何位置分布圖Figure 1 Sketch of sizes and geometrical arrangements of the cylinder and control element

表1 熱線測量與流動顯示實驗工況表Table 1 Varied conditions tested in the experiment

繞流流場用煙線方法進行顯示.在風洞實驗段橫截面半高位置垂直于來流方向橫置一條直徑為30 μ m的金屬絲,在金屬絲上均勻涂上甘油,絲兩端外連接一觸發(fā)電容,電容放電對絲進行短時加熱.絲上的甘油受熱發(fā)煙,形成煙線.煙線流過柱體,形成流動圖案.在風洞玻璃壁外設置閃光燈,閃光與煙線發(fā)煙之間的延遲時間由單片機控制.閃光后照相機曝光,得到柱體繞流的流動照片.關于煙線裝置的詳細情況見文獻[14].

薄矩形柱體尾流的脈動速度在X方向的分量用DANT EC Streamline熱線風速儀的55P14單絲探頭進行測量.由于本實驗中旋渦脫落的頻率高于7 Hz而低于50 Hz,故采樣頻率可選為500 Hz(超過渦脫落頻率10倍以上),采樣時間選為8.1 s(大于50個旋渦脫落周期).測量在展向(Z軸方向)中間截面進行.選擇的測量剖面在柱體尾緣下游15 cm處,即X/B=2.0～3.0的位置.在測量剖面上,測點從Y/H=-4.0開始,每隔Δ Y/H=0.4測量,一直測到Y/H=4.0位置.

2 實驗結果及分析

2.1 流動顯示

實驗的雷諾數(shù) Re=V∞H/ν=1.5×103,其中,V∞為來流速度,ν為空氣運動粘度.對矩形柱寬厚比B/H=2.0和3.0分別進行顯示實驗,這里只給出B/H=3.0的結果.選擇兩種控制桿,第一種控制桿寬度b/H=0.4,厚度h/H=0.2,第二種控制桿b/H=h/H=0.2.控制桿位置變化區(qū)域為:X/B=-3.0～3.0,Y/H=0～4.0.

圖2是典型的結果.如圖2(a)所示,當不加控制桿時,旋渦脫落在柱后自然形成.圖2(b)～(d)是尺度為b/H=0.4,h/H=0.2的控制桿位置在X/B=-0.5截面上沿平行于Y軸的直線變化時的抑制情況.當控制桿緊貼或很靠近矩形柱時,如圖2(b),控制桿和矩形柱就像一個合成的單一物體一樣,旋渦脫落仍在后面產(chǎn)生,旋渦尺度與未加控制桿時相比明顯變大.隨著控制桿與柱面距離的增加,控制效果逐漸改善.當控制桿距離柱體一定范圍之內(nèi),即Y/H=0.8～1.7時,柱體兩側(cè)的旋渦脫落均被抑制(圖2(c)).

以往的研究[14-16]發(fā)現(xiàn),當控制桿位于柱體后方一定位置的時候,會出現(xiàn)單側(cè)旋渦脫落現(xiàn)象,在本研究中也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象,如圖2(d),當控制桿位置進一步離開柱體到達Y/H=1.75處時,柱體尾流出現(xiàn)單側(cè)旋渦現(xiàn)象,下側(cè)的旋渦被抑制,而上側(cè)的旋渦脫落依然存在.

控制桿尺度換成b/H=h/H=0.2之后抑制效果也出現(xiàn)類似的變化.當控制桿跟柱體緊貼的時候如圖 2(e),柱體尾流旋渦脫落沒有受到抑制.圖2(f)至圖2(g)中,控制桿在X/B=0.0,Y/H=0.8～1.4這個有效區(qū)間內(nèi),柱體兩側(cè)的旋渦脫落被有效抑制.當控制桿與柱體之間的間距較大時,柱體兩側(cè)旋渦脫落現(xiàn)象恢復,如圖2(h).此時控制桿自身后面也出現(xiàn)旋渦脫落.

圖2 柱體寬厚比B/H=3.0,Re=1.5×103時,兩種控制桿抑制效果的流動顯示Figure 2 Visualization of suppression effects of two control elements at B/H=3.0,Re=1.5×103

2.2 熱線測量

由流動顯示結果可以推論,存在一個位置區(qū)域.當控制桿位于該區(qū)域內(nèi)時,柱體兩側(cè)的旋渦被抑制.為了準確地找出這個區(qū)域,進行了熱線測量,用脈動速度譜判斷旋渦脫落是否被抑制.圖3是柱體寬厚比為B/H=2.0時,在柱體尾流兩側(cè)不同位置得到的脈動速度功率譜.圖3(a)～(d)是未加控制桿時的情況,每個譜上均有一個尖峰存在,而且尖峰所對應的無量綱頻率 f H/V∞=0.12.譜上尖峰說明旋渦脫落在柱體兩側(cè)產(chǎn)生.當寬度為b/H=0.2的控制桿放置在X/H=-1.6,Y/H=0.8時,情況發(fā)生變化.如圖3(e)～(h),此時柱體尾流兩側(cè)測得的脈動速度功率譜上均沒有尖峰存在,說明柱體兩側(cè)旋渦脫落均被抑制.利用這種判斷方法,我們可以斷定控制桿位于某位置時,兩側(cè)旋渦脫落是否被抑制,從而可以找出有效抑制的控制桿位置區(qū)域,我們稱該區(qū)域為有效區(qū).

側(cè)旋渦脫落現(xiàn)象也可以由脈動速度譜來反映.圖4是寬度b/H=0.2的控制桿位于尾流上側(cè)某點X/H=-0.8,Y/H=1.6時,在尾流兩側(cè)測得的功率譜,如圖4(a),尾流下側(cè)的譜上,均存在尖峰,說明下側(cè)有旋渦脫落.而在上側(cè),如圖4(b),測得的譜上均沒有尖峰,說明上側(cè)的旋渦脫落被抑制,從而形成單側(cè)旋渦脫落.同樣,我們可以根據(jù)這種方法找出單側(cè)旋渦脫落發(fā)生的控制桿位置區(qū),我們稱該區(qū)為單側(cè)有效區(qū).以上對圖3和圖4的描述,可以用下面的表2和表3來簡要表達.

表2 未控制和控制以后,尾流脈動速度譜的對比表Table 2 Comparison of power spectrum of fluctuating velocity between the wakes with and without control

表3 單側(cè)旋渦現(xiàn)象的熱線測量Table3 Hot-wire measurement of the phenomenon of unilateral vortex shedding

2.3 有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)及其影響因素

為了敘述方便,我們稱有效區(qū)為E,單側(cè)有效區(qū)為UE.測量的控制桿位置區(qū)域形成一個矩形網(wǎng)絡,網(wǎng)絡步長為 ΔX/H=Δ Y/H=0.2,網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域,對 B/H=2.0的柱體,為:-4.0≤X/H≤4.0,0.0≤Y/H≤4.0;對B/H=3.0的柱體,為:-6.4≤X/H≤6.4,0.0≤Y/H≤4.0.

2.3.1 控制桿尺度b/H對E和UE區(qū)的影響

圖5是柱體寬厚比為B/H=2.0時,不同控制桿寬度下的有效區(qū)E和單側(cè)有效區(qū)UE.可以看到,在各種狀態(tài)下,UE區(qū)均包圍E區(qū).當控制桿寬度由b/H=0.2增大到b/H=0.32時,E區(qū)面積有明顯增大,而UE區(qū)面積無明顯變化.而當控制桿寬度由b/H=0.32繼續(xù)增大到b/H=0.4時,E區(qū)面積和UE區(qū)反而都減小.從E區(qū)和UE區(qū)的位置看,隨著控制桿寬度b/H的增大,E區(qū)和UE區(qū)的前端點均向下游退縮,而后端點位置變化不大;E區(qū)和UE區(qū)的橫向?qū)挾纫矝]有明顯變化.

2.3.2 柱體寬厚比B/H對E區(qū)和UE區(qū)的影響

圖6(a)和(c)是柱體B/H=2.0時的E區(qū)和UE區(qū),圖6(b)和(d)是B/H=3.0時的 E區(qū)和UE區(qū).B/H由2.0增大到3.0時,UE區(qū)面積成倍增大;E區(qū)由單一區(qū)域變?yōu)榍昂髢蓚€區(qū)域,其中一個區(qū)比B/H=2.0時大,另一個則較小.B/H=3.0時,E區(qū)和UE區(qū)前端向上游擴展很多,后端向下游也略有擴展;UE區(qū)和較大的E區(qū)的橫向?qū)挾扰cB/H=2.0時相比也有所增大.

2.3.3 Re數(shù)的影響

圖7是雷諾數(shù)Re對E區(qū)和UE區(qū)的影響.在B/H=2.0,b/H=0.2情況下,隨著Re數(shù)的增大,E和UE區(qū)域都有所收縮,面積減小.B/H=3.0和b/H=0.32,0.4的情況,E和 UE區(qū)也都隨Re數(shù)的增大而減小.

圖5 不同控制桿尺度下薄矩形柱體的有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)Re=1.5×103,B/H=2.0Figure 5 Effective and unilateral effective zones at different scales of control element,Re=1.5×103,B/H=2.0

圖6 不同寬厚比下薄矩形柱體的有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)Re=1.5×103Figure 6 Effective and unilateral effective zones at different flakiness ratio Re=1.5×103

3 討 論

B/H=3.0時,得到的有效區(qū)分為兩部分,是以前研究中未曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象.根據(jù)前人的研究[20],當矩形寬厚比為B/H=2.0時,剪切層從前緣分離后沒有再附著現(xiàn)象.而當寬厚比B/H增大到3.0時,分離剪切層再附著在柱體側(cè)表面上,在柱體側(cè)表面形成前后兩個旋渦,流動狀態(tài)發(fā)生較大變化[23]..本實驗測量結果表明(圖8)B/H=3.0時旋渦脫落的Strouhal數(shù)(St)≈0.18,比B/H=2.0時(圖 3)的St≈0.12有明顯增大.B/H=3.0時,有效區(qū)分為前后兩個區(qū)域,可能就是剪切層再附著影響的結果.

圖7 不同雷諾數(shù)下薄矩形柱體的有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)B/H=2.0,b/H=0.2Figure 7 Effective and unilateral effective zones at different Reynolds numbers B/H=2.0,b/H=0.2

圖8 控制與未控制尾流脈動速度功率譜的比較,B/H=3.0,Re=5.5×103,控制桿位于X/H=-4.8,Y/H=0.8Figure 8 Comparisons of power spectra of fluctuating velocities in wakes without element and with a strip element placed at X/H=-4.8,Y/H=0.8,B/H=3.0,Re=5.5×103

4 結 語

本文采用窄條形小控制桿方法對寬厚比為B/H=2.0和3.0的兩種矩形柱尾流的旋渦脫落進行控制.實驗在風洞中進行,采用煙線方法對流場進行流動顯示,并采用熱線風速儀對尾流脈動速度進行測量.實驗的雷諾數(shù)范圍為1.5×103～5.5×103.對寬度為b/H=0.2,0.32和0.4的三種控制桿分別進行了研究,結果表明:在矩形柱體附近存在一個有效區(qū),當控制桿位于該區(qū)內(nèi)時,柱體兩側(cè)的旋渦脫落被抑制.另外存在一個單側(cè)有效區(qū),當控制桿位于該區(qū)內(nèi)時,柱體后面出現(xiàn)單側(cè)旋渦脫落現(xiàn)象.研究了控制桿尺度的影響,發(fā)現(xiàn)控制桿尺度b/H增大時,有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)不是擴大,而是有所縮小,這與以往的結論不同.本文還研究了矩形柱寬厚比B/H和雷諾數(shù)Re的影響.發(fā)現(xiàn)隨著雷諾數(shù)的增大,有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)稍有縮小.還發(fā)現(xiàn)當矩形柱厚度不變,寬度增大,即B/H增大時,有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)擴大,而且有效區(qū)由一個變?yōu)閮蓚€;同時對這種現(xiàn)象的原因進行了探討.

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