大振幅橫向振蕩柱體尾流的控制

金華斌，邵傳平

(中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

大振幅橫向振蕩柱體尾流的控制

金華斌，邵傳平

(中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

引用小窄條控制件對不同旋渦脫落模式進(jìn)行尾流控制.在振幅比A/D=1.0，無量綱振蕩頻率feD/V∞=0.413，雷諾數(shù)為1 200條件下找到了2P旋渦脫落模式并對其進(jìn)行控制；在振幅比為0.4，無量綱振蕩頻率0.21條件下找到了2S旋渦脫落模式并對其進(jìn)行控制；在振幅比為1.5，無量綱振蕩頻率0.189條件下找到了P+S旋渦脫落模式并對其進(jìn)行控制.煙線流動顯示實(shí)驗(yàn)和熱線測速.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單窄條對2S模式旋渦脫落的抑制作用不明顯，對2P模式旋渦脫落抑制作用顯著，雙窄條對P+S模式旋渦脫落的抑制在一定位置下有顯著控制效果.

小窄條控制件;旋渦脫落;振蕩柱體

尾流又稱為尾跡，是指運(yùn)動物體后面或物體下游的紊亂旋渦流，在大多數(shù)情況下，流體以一定的速度流過振動柱體時，在柱體后面會形成規(guī)則的旋渦脫落，這種現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)生活中廣泛存在，圓柱繞流更為常見，比如電線桿、火力發(fā)電廠的煙囪、高層建筑、電視塔、海水流作用下的輸油管道、石油平臺樁、江河中的橋墩等.在這種情況下，柱體兩側(cè)的壓力隨著旋渦的脫落產(chǎn)生周期性變化，從而產(chǎn)生交變載荷，引起柱體振動[1].振動不但會對物體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長期的疲勞損壞，而且當(dāng)旋渦脫落的頻率與物體的固有頻率接近時還會產(chǎn)生共振，對物體造成巨大的破壞.除此以外，旋渦脫落還會加大阻力[2]及產(chǎn)生噪聲等危害[3].渦致振動使柱體或柱體群造成破壞在現(xiàn)實(shí)生活中已有不少的先例，例如1940年11月美國塔科瑪大橋的毀壞，以及1965年11月英國渡橋電廠冷卻塔群的倒塌都是由于渦致振動造成的.因此，對振蕩柱體尾流加以控制，從而消除或者減弱渦致振動對柱體影響具有重要的意義.

與定常流體繞靜止圓柱不同，流向強(qiáng)迫振蕩圓柱繞流的旋渦脫落頻率和形態(tài)變化更加劇烈，對于振蕩圓柱繞流的研究，前人已經(jīng)做出了大量的研究，如Sarpkaya[4]和Williamson[5]等做出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究.Williamson[6]將橫向振蕩圓柱的旋渦脫落模式總結(jié)為2P，2S，P+S等(P代表一對旋渦脫落，S代表單個旋渦脫落).控制方法大致分為兩類：一類是需要外加能量來驅(qū)動的主動控制；另一類是被動控制，此方法不需要外加能量來驅(qū)動，所以這種方法被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活中.

為了控制柱體尾流中的旋渦脫落以及減小阻力，發(fā)展出了一些控制方法，其基本思路是對邊界層施加一些干擾，使其分離點(diǎn)的位置發(fā)生改變.主要的控制思路有以下幾種：1)減小展向相關(guān)性[7]；2)控制背壓和分離[8]；3)防止柱體兩側(cè)分離剪切層的相互作用[9]；4)整體模態(tài)控制[10].最常見的控制方法有三種：1)添加窄條控制件.窄條控制件的主要控制參數(shù)有控制件的寬度b/D和控制件的位置.2)對振蕩柱體進(jìn)行尾部噴射.3)添加隔離板.

強(qiáng)迫振蕩柱體尾流旋渦脫落的抑制比渦激振動抑制更加困難.原則上講只要將靜止柱體旋渦脫落抑制住,使激發(fā)源消失則振動就不會被激發(fā).但在強(qiáng)迫振蕩下擾動源始終存在,強(qiáng)迫振動對旋渦脫落的產(chǎn)生及其脫落模式具有決定作用,此時一些控制旋渦脫落的方法還能否有效尚未可知.目前，還未見其他研究者對強(qiáng)迫振蕩柱體尾流的抑制展開研究.本文通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法在橫向振蕩柱體下游的上方添加窄條控制件來觀察探討其在大振幅工況下不同渦脫落模式的控制效果.

1 實(shí)驗(yàn)平臺布置

實(shí)驗(yàn)是在中國計(jì)量大學(xué)回流式風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞屬于低速風(fēng)洞，可提供速度為1～50 m/s、湍流度小于0.5 %的均勻來流，其實(shí)驗(yàn)段長度是2.0 m，風(fēng)洞的壁面是由有機(jī)玻璃制成，橫截面積是0.6 m×0.6 m，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的側(cè)面有一個豎直長10 cm、寬6 cm的長方形的洞，用來放置振蕩柱，實(shí)驗(yàn)所用到的振蕩柱是由有機(jī)玻璃制成的，其直徑是2.5 cm.振蕩柱是固定在一個轉(zhuǎn)動滑塊連桿機(jī)構(gòu)上，實(shí)驗(yàn)時通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)振蕩柱的振動頻率.振蕩圓柱沿著Y方向振動.如圖1，單窄條控制時，窄條放在圓柱下游的上方，雙窄條控制件時窄條放置在X軸兩側(cè).

圖1 模型與實(shí)驗(yàn)布置Figure 1 Model and experiment arrangement

試驗(yàn)中用DANTEC公司生產(chǎn)的恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀測量尾流速度脈動情況.熱線風(fēng)速儀的測量速度范圍可達(dá)0.02～300 m/s,可測量波動頻率達(dá)300 kHz，熱線探頭安放在圓柱下游7～10 cm處，沿著Y方向根據(jù)不同的旋渦脫落模式選取不同的測量點(diǎn)進(jìn)行測量.本次實(shí)驗(yàn)的采樣頻率為256 Hz，采樣時間是20 s，這樣在每個測量點(diǎn)會測量5 120個數(shù)據(jù)，最后通過matlab程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到每個點(diǎn)的功率頻譜圖.

橫向振蕩柱體尾流的顯示用煙線法來實(shí)現(xiàn)，發(fā)煙裝置由鎢絲、變壓器、電容器等構(gòu)成.實(shí)驗(yàn)時，將冷凍過的甘油均勻地涂在鎢絲上，然后電容在發(fā)生器控制下放電，鎢絲在短時間內(nèi)被加熱，使鎢絲上的甘油受熱蒸發(fā)形成煙霧，因其跟隨性良好，煙霧可以很好的顯示出金屬絲下游的流場.拍攝系統(tǒng)方面我們做了一定升級，用LED照明燈條與FASTCAM Mini UX50高速攝像機(jī)(每秒最高100 000幀)替換原先閃光燈與數(shù)字相機(jī).由之前的一次操作只能拍攝一張圖片改進(jìn)為一次拍攝上千幀照片合成視頻.不僅大大提高了拍攝成功率也能通過視頻更好的觀察振蕩柱體尾流旋渦生成脫落的機(jī)理.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

橫向振蕩柱體的尾流控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：雷諾數(shù)為1 200，柱體振幅比A/D分別為0.4、1.0與1.5，振蕩頻率feD/V∞分別為0.21，0.431與0.189，窄條寬度分別為b/D=0.32、0.48、0.64，其中V∞為來流速度，D為圓柱直徑，fe為柱體強(qiáng)迫振蕩頻率，A為振幅，ν為空氣粘性系數(shù)；b為窄條寬度.研究了3種不同模式最有代表性工況下窄條控制件對橫向振蕩柱體尾流的控制效果.

2.1 窄條對旋渦脫落是2S模式尾流的控制

圖2(a)為無控制時，可以清晰的看到振蕩柱體后側(cè)上下各有一個旋渦脫落，這就形成了卡門渦街.當(dāng)引入控制桿后(窄條寬度為b/D=0.32)如圖2(b)，上側(cè)旋渦脫落得到了抑制，并沒有出現(xiàn)明顯的旋渦，而下側(cè)的旋渦雖然有被影響，但是并不明顯，旋渦脫落仍然存在；控制桿往后移，煙線結(jié)果顯示上下兩側(cè)的旋渦脫落都在一定程度上得到了減弱，并沒形成特別完整的旋渦；當(dāng)我們將控制桿再往后移，控制桿對旋渦脫落的抑制作用不再那么顯著，上下兩側(cè)都有明顯的旋渦脫落.

圖2 2S模式單桿控制尾流對比圖Figure 2 2S mode wakes comparison chart with single controller

圖3 均值頻譜對比圖Figure 3 Comparison of mean power spectra

圖3是無控制和控制桿位于(X/D=0.4,Y/D=1.2)時均值頻譜圖，從均值上看，在該點(diǎn)加入控制桿后旋渦的能量雖然有減小，但是減小的幅度并不大.控制桿往上移動，旋渦的能量不但沒有減小，反而有所增大,與煙線結(jié)果相似，對渦脫落無抑制作用.

2.2 窄條對旋渦脫落是2P模式尾流的控制

圖4(a)是無控制狀態(tài)下旋渦脫落的形態(tài)，圖4(b)是控制桿位于(X/D=0.4,Y/D=0.8)時的旋渦脫落形態(tài).無控制時，可以清晰的看到振蕩柱體后上下兩側(cè)都有一對旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦脫落.當(dāng)引入控制桿后，上側(cè)旋渦脫落得到了抑制，無明顯的旋渦，而下側(cè)的旋渦雖然有被影響，但是并不明顯，旋渦脫落仍然存在；通過其他位置放置控制桿的煙線對比圖發(fā)現(xiàn)，上下兩側(cè)的旋渦都有被打亂，并且旋渦遠(yuǎn)離尾流中心線的距離有相對一定的減小.

圖4 2P模式單桿控制尾流對比圖Figure 4 The 2P mode wakes comparison chart with single controller

圖5為無控制和控制桿(b/D=0.48)位于(X/D=0.4,Y/D=0.8)時的均值頻譜圖，該點(diǎn)加入控制桿后峰值減小到原來的1/5，當(dāng)控制桿在往上移動0.4D時，其峰值減小了一半以上，控制效果顯著.

圖5 均值頻譜對比圖Figure 5 Comparison of mean power spectra

2.3 窄條對漩渦脫落是P+S模式尾流的控制

考慮到P+S模式的振幅以及振頻都比較大，帶來的能量也就會越大，較寬的窄條其控制效果可能會比較明顯.故選用的窄條寬度b/D=0.64，圖6(a)時無控制狀態(tài)時的煙線圖，在尾流中心線上側(cè)，有一個順時針旋轉(zhuǎn)的旋渦脫落，在尾流中心線下側(cè)有一對旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦脫落，從其形態(tài)來看，下側(cè)旋渦的能量明顯大于上側(cè)旋渦的能量，但是這個隨機(jī)的，有可能上下兩側(cè)的旋渦位置是相反的.圖6(b)為雙控制桿分別位于(X/D=1.6,Y1/D=1.6,Y2/D=-1.6)時的煙線圖，從煙線實(shí)驗(yàn)的對比圖可以看出來，雙控制桿能對P+S模式的旋渦脫落有明顯的影響，能將振蕩柱體后面的旋渦打亂，從圖片上來看，并沒有明顯的旋渦形成，通過對比P+S模式下其他工況下的煙線圖發(fā)現(xiàn)雙桿在有效控制區(qū)域時可抑制旋渦脫落.

圖6 P+S模式雙控制桿煙線對比圖Figure 6 The P+S mode wakes comparison chart with two controllers

圖7為P+S模式雙桿控制的頻譜分析圖，其中圖7(a)是無控制時均值頻譜圖，圖7(b)為雙桿控制桿位于(X/D=0.8,Y1/D=0.8,Y2/D=-0.8)時均值頻譜圖.加入控制桿后其功率譜峰值減少一半多，說明該模式下使用控制桿對渦脫落有控制效果.同流動顯示結(jié)果比對可知：加入控制桿后，沒有明顯渦對生成.

圖7 P+S模式雙控制桿功率譜Figure 7 Power spectra of P+S mode with two controllers

3 結(jié) 語

不同的圓柱的振蕩頻率以及振蕩幅度等因素下尾流渦脫落會出現(xiàn)2S，2P，P+S等模式.在2S模式下，使用寬度b/D=0.32的小窄條對尾流進(jìn)行控制，從小窄條放置的位置的頻譜圖來看，其控制效果都不是太理想甚至有增大擾動的負(fù)面效果；在2P模式下，同樣采用了寬度b/D=0.32的小窄條，同樣也從小窄條放置的不同位置進(jìn)行了頻譜分析對比，從頻譜分析對比來看，窄條對該模式的旋渦脫落有一定的抑制作用且控制效果在3種不同模式中最好.在P+S模式下，我們采用了兩根寬度b/D=0.64的窄條，這主要是考慮振頻和振幅比較大的原因，從煙線流動顯示實(shí)驗(yàn)來看其控制效果還是很明顯的，渦生成過程被干擾，沒有形成明顯的對渦.熱線頻譜對比圖也有類似結(jié)果，控制桿放置于特定位置有顯著的控制效果.

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Suppression of the wakes downstream of a transversely oscillating cylinder with largeamplitude

JIN Huabin, SHAO Chuanping

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A small strip was used to control wake vortices in different vortex shedding modes. The 2P vortex shedding mode was amplitude ratioA/D=1.0, non-dimensional oscillation frequenciesfeD/V∞=0.413, and Reynolds number 1 200. The 2S vortex shedding mode was amplitude ratio=0.4, non-dimensional oscillation frequencies of 0.21, and was controlled by a stationary narrow strip.The P+S vortex shedding mode was amplitude ratio=1.5, non-dimensional oscillation frequencies=0.189, and was controlled by a stationary narrow strip. The results of flow visualization and velocity fluctuation measurement show that single narrow strip has no effect on inhibiting 2S mode vortex shedding but has significant inhibitory effect on 2P mode vortex shedding. Similarly, the suppression of vortex shedding in the P+S mode is significantly controlled by the double strips in a certain position.

small strip controls; vortex shedding; oscillating cylinder

2096-2835(2016)04-0377-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.004

2016-10-24 《中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

O357.5

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