氫氣泡DPIV技術(shù)在圓柱繞流流場(chǎng)測(cè)定中的應(yīng)用

李紹武，唐一夫，曾冬

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

氫氣泡DPIV技術(shù)在圓柱繞流流場(chǎng)測(cè)定中的應(yīng)用

李紹武，唐一夫，曾冬

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

將氫泡示蹤法與數(shù)字圖像分析技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套粒子圖像流場(chǎng)觀(guān)測(cè)裝置，對(duì)不同雷諾數(shù)下的圓柱繞流流場(chǎng)進(jìn)行了觀(guān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)中清晰觀(guān)察到圓柱繞流的卡門(mén)渦街現(xiàn)象。采用基于互相關(guān)算法的分析軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到流速矢量圖、等值線(xiàn)圖及渦量圖。根據(jù)圖像及計(jì)算結(jié)果，分析了一個(gè)擬周期內(nèi)圓柱后渦旋的發(fā)展、演化過(guò)程。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，隨著雷諾數(shù)的增大，圓柱繞流近尾跡區(qū)長(zhǎng)度逐漸縮短。將流動(dòng)特性實(shí)測(cè)結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果基本一致。

氫泡法；DPIV技術(shù)；圓柱繞流；流場(chǎng)測(cè)量

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）是在流動(dòng)顯示基礎(chǔ)上利用圖像處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種瞬態(tài)流動(dòng)測(cè)量技術(shù)。它突破了單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限性，能在同一瞬時(shí)記錄下大量空間點(diǎn)上的速度分布信息，提供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性。氫泡粒子濃度高，分布均勻，配合激光片光源，可得到高質(zhì)量的圖像，對(duì)于了解結(jié)構(gòu)周?chē)鲌?chǎng)性質(zhì)十分有用。DPIV是PIV的數(shù)字化形式，示蹤粒子的選擇是DPIV技術(shù)中的重要問(wèn)題，示蹤粒子應(yīng)滿(mǎn)足可見(jiàn)度高和跟隨性好的要求。本實(shí)驗(yàn)采用氫氣泡作為示蹤粒子，使用激光作為光源，設(shè)計(jì)一套DPIV裝置，進(jìn)行圓柱周?chē)鲌?chǎng)測(cè)量［1-2］，通過(guò)改變圓柱直徑和水流流速，得到不同雷諾數(shù)下的多組流場(chǎng)圖像，通過(guò)對(duì)圖像處理獲得流場(chǎng)信息。

1 實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備

1.1 氫泡法DPIV技術(shù)的一般工作原理

數(shù)字粒子圖像測(cè)速技術(shù)（DPIV）的基本原理是在流場(chǎng)中撒布合適的“示蹤粒子”，用激光片光照射所測(cè)流場(chǎng)切面區(qū)域，通過(guò)成像記錄系統(tǒng)攝取兩次或多次曝光的數(shù)字粒子圖像，形成DPIV底片；再用數(shù)字粒子圖像相關(guān)法處理DPIV底片，獲得區(qū)域中數(shù)字粒子圖像的平均位移。通過(guò)某一粒子影像在兩幅圖像上的位置變化，并考慮實(shí)際流場(chǎng)與數(shù)字圖像之間的幾何比例關(guān)系，即可計(jì)算出示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算公式為

式中：Δx、Δy為粒子移動(dòng)距離；Δt為采樣時(shí)間間隔；f為攝像機(jī)拍攝的幀頻；S為換算比尺。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和采集系統(tǒng)兩部分組成，整個(gè)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。水槽、水泵、流量控制閥門(mén)及流量計(jì)構(gòu)成水流循環(huán)系統(tǒng)，水槽長(zhǎng)2.5 m，寬0.3 m，深0.35 m。水槽進(jìn)水段設(shè)有整流網(wǎng)以保持來(lái)流均勻穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)段底部涂上黑色背景以便于觀(guān)測(cè)，圓柱垂直固定于水槽底部。氫氣泡發(fā)生裝置通過(guò)陰極電解水產(chǎn)生氫氣泡作為示蹤粒子，陰極采用直徑30 μm的鉑絲，橫向置于圓柱前方，與水面平行，陽(yáng)極采用銅棒。陰極絲上產(chǎn)生的氫泡緩慢上升的同時(shí)隨水流向下游移動(dòng)，用厚度0.5～1 mm的激光片光源水平照射可得到二維流動(dòng)粒子圖像。

CCD相機(jī)采樣頻率為200 Hz，曝光時(shí)間為3 527 μs，單個(gè)像素尺寸為12 μm×12 μm。數(shù)據(jù)采用法國(guó)LEGI公司的UVMAT軟件包進(jìn)行處理。軟件的相關(guān)窗口（CorrBox，x，y）為25×25個(gè)像素，查問(wèn)窗口（SearchBox，x，y）為55×55像素，測(cè)量網(wǎng)格（Measure? ment Grid）設(shè)為30個(gè)像素，一幅圖像共可計(jì)算1 225個(gè)速度矢量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of experimental apparatus

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)在天津大學(xué)港口工程試驗(yàn)大廳完成。為了取得較好影像效果，試驗(yàn)選在晚上無(wú)光照條件下進(jìn)行。

圖2為全色圖與CCD圖像對(duì)比。由圖2-a可清楚地看到圓柱兩側(cè)因流速加大氫泡加速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象及圓柱后方的漩渦。

圖3為圓柱直徑為D=1 cm，來(lái)流流速為1.47 cm/s，水深12.6 cm，Re=129時(shí)圓柱后流速矢量圖。圖4為蘇銘德采用大渦模擬給出的圓柱繞流流函數(shù)圖［3］?？梢钥闯?，在圓柱后方流場(chǎng)范圍內(nèi)，流線(xiàn)近似呈周期性擺動(dòng)狀，二者結(jié)果大體相似。

圖2 實(shí)驗(yàn)拍攝全色圖片和CCD灰度圖像對(duì)比Fig.2 Comparison between panchromatic image picture and CCD greyscale image

圖3 圓柱為1 cm的流速矢量圖Fig.3 Velocity vector for cylinder with diameter of 1 cm

圖4 大渦模擬流函數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Numerical result of stream function by large eddy simulation

圖5給出圓柱直徑為D=3 cm，來(lái)流流速為2.94 cm/s，水深12.6 cm，Re=773的流速等值線(xiàn)圖及渦量圖，圖5-b中深色部分（等值線(xiàn)為虛線(xiàn)）對(duì)應(yīng)負(fù)渦量，淺色部分（等值線(xiàn)為實(shí)線(xiàn)）對(duì)應(yīng)正渦量。從中可以看出圓柱后低流速渦旋回流區(qū)，圓柱兩側(cè)流速受圓柱擠壓而增大，圓柱兩側(cè)渦量有增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖6為Gerrard等［4］給出的Re=1 000時(shí)渦量圖，與本次試驗(yàn)結(jié)果（圖5-b）對(duì)比，可以看出二者大體一致。

圖7給出了直徑為1 cm圓柱情況下T=0 s到T=2 s的6個(gè)瞬時(shí)的CCD數(shù)字圖像。6幅圖代表了圓柱繞流渦旋脫落的一個(gè)周期。T=0 s時(shí)刻，圓柱左前方（沿水流方向觀(guān)測(cè)）1D處從圓柱左側(cè)已形成一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的大尺度旋渦L1，發(fā)展得比較飽滿(mǎn)，在該旋渦右前方為從圓柱右側(cè)形成的逆時(shí)針旋渦R1。T=0.5 s時(shí)，兩渦向下游移動(dòng)，形狀有所拉伸。T=1 s時(shí)刻，R1繼續(xù)向下游移動(dòng)并已經(jīng)離開(kāi)畫(huà)面，L1明顯向下游移動(dòng)，同時(shí)右后方產(chǎn)生新渦R2。T=1.5 s時(shí)刻，圓柱左前方產(chǎn)生新渦L2。T=2.0 s時(shí)，左側(cè)新渦L2發(fā)展到大致與T=0 s時(shí)刻L1相同的形狀，完成了一個(gè)周期。

圖5 圓柱為3 cm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of cylinder with diameter of 3 cm

圖6Gerrard等給出的Re=1 000時(shí)渦量圖計(jì)算結(jié)果Fig.6 Velocity vector and vorticity contour by Gerrard

在近期的研究［5］中發(fā)現(xiàn)，隨著雷諾數(shù)的增加，尾流區(qū)內(nèi)旋渦形成的區(qū)域會(huì)逐漸向上游收縮。通過(guò)改變流速，得到圓柱直徑為5 cm時(shí)對(duì)應(yīng)3個(gè)不同雷諾數(shù)下的渦量圖如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著雷諾數(shù)的增加，圓柱體兩側(cè)及下游形成旋渦的范圍寬度變窄，旋渦形成的尾流區(qū)范圍也明顯向上游收縮。

圖7T=0 s到T=2 s的6個(gè)瞬時(shí)流動(dòng)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的CCD數(shù)字圖像Fig.7 CCD images at 6 instantaneous time levels from 0 s to 2 s

圖8 直徑5 cm圓柱在不同雷諾數(shù)下的渦量圖像Fig.8 Vorticity images for cylinder with diameter of 5 cm under different Reynolds number

3 結(jié)論

主要結(jié)論如下：

（1）將氫泡測(cè)流技術(shù)與數(shù)字圖像分析方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套氫泡法流場(chǎng)顯示裝置，該裝置可以較清晰給出圓柱背后渦街的發(fā)展過(guò)程圖像；

（2）通過(guò)渦量分析，可以觀(guān)察到尾流區(qū)隨雷諾數(shù)增加而收縮的現(xiàn)象；

（3）觀(guān)測(cè)到的流速量級(jí)與實(shí)際相符，但部分區(qū)域內(nèi)的流速大小受觀(guān)測(cè)時(shí)光學(xué)條件影響，要獲得較準(zhǔn)確的流速結(jié)果尚需更嚴(yán)格的遮光條件。

［1］Schraub F A，Kline S J，Henry J，et al.Use of hydrogen bubble for quantitative determination of time?dependent velocity fields in low?speed water flows［J］.Journal of Basic Engineering，1965，35：429-444.

［2］戴昌暉.流體流動(dòng)測(cè)量［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1991.

［3］蘇銘德，康欽軍.亞臨界雷諾數(shù)下圓柱繞流的大渦模擬［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31（1）：100-105. SU M D，KANG Q J.Large eddy simulation of the turbulent flow around a circular cylinder at sub?critical Reynolds numbers［J］. Acta Mechanica Sinica，1999，31（1）：100-105.

［4］Lin J C，Towfighi J，Rockwell D.Instantaneous structure of the near?wake of a circular cylinder：on the effect of Reynolds number［J］.Journal of Fluids and Structures，1995，9：409-418.

［5］張孝棣，蔣甲利.圓柱體繞流尾跡的PIV測(cè)量［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2005（19）：74-78. ZHANG X D，JIANG J L.Measurement of cylinder′s wake by PIV［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2005（19）：74-78.

Application of hydrogen bubble DPIV technique in measurement of flow field around a circular cylinder

LI Shao?wu,TANG Yi?fu,ZENG Dong
(School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A particle image flow field observation system was designed to observe flow around a cylinder under different Reynolds number by combining hydrogen bubble tracer method and DPIV technique.Karman vortex street phenomenon was clearly observed from the images.Velocity vector,contour maps and vorticity graph were obtained by the software based on covariant?analysis algorithm.The vortex development around the cylinder in a pseudo?peri?od was discussed according to the images and calculation results.Experiment results show that the length of wake zone gradually shrinks with increasing Reynolds number.The experimental results of flow characteristics are basi?cally consistent with the published results of measurements by other methods.

hydrogen bubble method;DPIV technique;cylinder circuitous flow;flow field measurement

TP 311

A

1005-8443（2015）02-0181-04

秦淮河航道整治工程項(xiàng)目用地預(yù)審獲批復(fù)

2014-11-24；

2014-12-12

李紹武（1962-），男，山東省萊州人，教授，主要從事河流及海岸動(dòng)力學(xué)、港口規(guī)劃及平面布置。Biography：LI Shao?wu（1962-），male，professor.

本刊從江蘇省交通運(yùn)輸廳獲悉，2015年2月27日，秦淮河航道整治工程項(xiàng)目用地預(yù)審獲江蘇省國(guó)土資源廳批復(fù)。秦淮河航道是江蘇省“兩縱四橫”干線(xiàn)航道網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，是溝通長(zhǎng)江和蕪申線(xiàn)航道的重要航道。航道現(xiàn)狀等級(jí)為四級(jí)、六級(jí)及以下，已難以滿(mǎn)足船舶大型化以及水運(yùn)貨運(yùn)量日趨增長(zhǎng)的需求。整治工程項(xiàng)目按四級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，整治航道里程約103.8 km，新建船閘一座，同時(shí)對(duì)礙航橋梁進(jìn)行新（改）建，并建設(shè)必要的配套設(shè)施，總投資約49億元。（殷缶，梅深）