雙圓柱體間斷面軸向流速特性研究

王 謙，李永業(yè)，陳 卓，束德方

(1. 太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.江蘇省連云港市石梁河水庫(kù)管理處，江蘇 連云港 222323)

管道車是承裝固體物料或液體的透明有機(jī)玻璃圓柱狀載體，兩端帶有120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的金屬支撐體，其圓柱體外側(cè)黏附具有一定安放角的導(dǎo)葉，是用于長(zhǎng)距離管道水力輸送的載體，具有清潔高效，方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。管道車主體為圓柱體狀，其周邊水流為類圓柱繞流。為了探明圓柱繞流水力特性，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。李永業(yè)等[1]分析了圓柱體從靜止起動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)同心環(huán)狀縫隙流的分布規(guī)律，建立了同心環(huán)狀縫隙流在動(dòng)邊界條件下的數(shù)學(xué)模型。張琪琦等[2]、吳劍等[3]在不同環(huán)隙比、流量、直徑條件下研究了圓柱體繞流的同心圓環(huán)狀縫隙流場(chǎng)的水力特性。吳新等[4]分析了并列旋轉(zhuǎn)雙圓柱不同旋轉(zhuǎn)方式對(duì)渦旋脫落的抑制作用；鄒帥等[5]利用PIV及染色法研究了圓柱在過(guò)渡流下的繞流周期性及流動(dòng)特性；劉志榮等[6]利用本征正交分解(POD)重建了開縫圓柱的流場(chǎng)并且發(fā)現(xiàn)圓柱繞流近區(qū)尾流受雷諾數(shù)的影響；周瀟等[7]發(fā)現(xiàn)前置柔性隔板的彎曲變形易改變圓柱繞流尾跡區(qū)脫落渦的主頻；張賓等[8]通過(guò)動(dòng)力模態(tài)分解(DMD)對(duì)不同旋轉(zhuǎn)速度比下圓柱繞流流場(chǎng)的各階模態(tài)進(jìn)行提??；杜曉慶[9]等采用大渦模擬(LES)方法發(fā)現(xiàn)高雷諾數(shù)下并列雙圓柱繞流長(zhǎng)隨間距的增大產(chǎn)生多種流態(tài)結(jié)構(gòu)；王偉等[10]發(fā)現(xiàn)脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)在雷諾數(shù)小于等于1.2×104時(shí)能夠有效抑制邊界層的分離；龔志軍等[11]利用非平衡外推法對(duì)并列圓柱繞流數(shù)值模擬邊界條件進(jìn)行了處理；Canuto等[12]根據(jù)雷諾數(shù)和自由馬赫數(shù)得出了圓柱體周圍線性流增長(zhǎng)率與主導(dǎo)頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式；Gao W等[13]提出了具有兩個(gè)自由端的有限圓柱體的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。

目前，圓柱繞流主要集中于研究豎向圓柱尾跡流場(chǎng)方面，在橫向雙圓柱柱間流場(chǎng)的水流特性研究相對(duì)較少，缺少帶導(dǎo)葉雙圓柱引起的柱間螺旋流場(chǎng)研究。為此，本文利用粒子圖像測(cè)速儀(PIV)對(duì)于雙圓柱柱間螺旋流的軸向速度流速分布規(guī)律進(jìn)行研究，為雙圓柱體周邊水流流場(chǎng)研究提供一些理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)開展于太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院水流試驗(yàn)大廳，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由抽水及流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、試驗(yàn)管道系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)三部分組成，對(duì)雙圓柱體間軸向流速分布進(jìn)行模型試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，從地下水庫(kù)抽水至鋼水箱儲(chǔ)水，離心泵從鋼水箱抽水至試驗(yàn)管道中并通過(guò)電磁流量計(jì)的監(jiān)測(cè)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)直至特定流量，水流流經(jīng)圓柱體試驗(yàn)測(cè)試范圍并通過(guò)中端U型管道流至尾端鋼水箱，形成封閉的水流循環(huán)系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)方案

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of the experimental system

使用粒子圖像測(cè)速儀2D-2C PIV對(duì)圓柱體間流場(chǎng)速度分布的進(jìn)行全程瞬時(shí)無(wú)干擾采集。試驗(yàn)中，為清晰的展示流場(chǎng)擾動(dòng)，采用水流跟隨性優(yōu)良的30 μm空心微珠示蹤粒子。使用Dynamic Studio軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定、采集、后處理。采集時(shí)兩幀時(shí)間間隔為500 μs，后處理時(shí)圖像去除背景噪聲后使用adaptive PIV方法得到矢量速度，剔除異常值后最終得到質(zhì)點(diǎn)的速度。采用電磁流量計(jì)實(shí)時(shí)反饋流量數(shù)據(jù)，離心泵調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需流量。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本研究采用雙圓柱體進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。圓柱體(見(jiàn)圖2)兩端安裝3個(gè)以圓心為中心呈120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱布置的金屬支腳與交錯(cuò)布置的導(dǎo)流條，導(dǎo)流條安放角為25°。水流經(jīng)支撐體與導(dǎo)流條通過(guò)圓柱體，減小水流流經(jīng)圓柱體的阻力。

圖2 研究斷面位置圖Fig.2 Diagram of study section location

1.4 測(cè)試范圍布置

本試驗(yàn)采用極軸測(cè)點(diǎn)布置展開不同工況下軸向速度的測(cè)量，前圓柱體與后圓柱體間距為一個(gè)料筒長(zhǎng)度，即150 mm，圓柱體間中每隔37.5 mm設(shè)置一研究橫截面，共5個(gè)研究橫截面，第1個(gè)和第5個(gè)研究橫截面分別緊貼后圓柱體末端支撐體及前圓柱體首端支撐體。橫截面斷面布置見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)坐標(biāo)布置采用笛卡爾坐標(biāo)系，原點(diǎn)設(shè)置在緊貼后圓柱體支撐體截面圓心位置(見(jiàn)圖2)，x軸為水平方向，y軸為垂直方向，z軸正方向?yàn)檠厮鞣较?。本試?yàn)管道內(nèi)直徑為100 mm，在圓心布置半徑為9 mm的測(cè)環(huán)并依次增加，共5個(gè)測(cè)環(huán)，并每隔30°設(shè)置一測(cè)軸，共12個(gè)測(cè)軸。測(cè)環(huán)與測(cè)軸交點(diǎn)處即為測(cè)點(diǎn)，包括圓心，共61個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖3。

圖3 極軸測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of polar measurement points

2 試驗(yàn)分析

2.1 不同橫截面軸向流速分析

以圓柱體間距分別為0，37.5，75，112.5,150 mm斷面為例，分析沿水流方向距離后圓柱體不同距離橫截面的水流軸向速度分，具體見(jiàn)圖4。

從圖4中可以看出：

(1)水流從后圓柱運(yùn)動(dòng)至前圓柱體，水流軸向流速分布整體向截面圓心聚攏，近壁面處軸向流速高速區(qū)域呈120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱向圓心方向逐漸發(fā)展擴(kuò)大直至均勻。圓柱體間軸向速度分布呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱-軸向速度均勻化-趨向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的發(fā)展規(guī)律。

圖4 不同橫截面軸向速度分布圖(單位：m/s)Fig.4 Axial velocity distribution of different cross sections

(2)軸向流速整體發(fā)展為圓管中心區(qū)域流速小，近壁面處間隔120°流速大的分布。緊貼后圓柱體斷面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布特性最明顯。

行業(yè)的變革發(fā)展，核心之一就是產(chǎn)品技術(shù)和生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新研發(fā)。中國(guó)植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、全國(guó)農(nóng)技推廣服務(wù)中心首席專家高祥照表示，當(dāng)前農(nóng)業(yè)對(duì)安全、環(huán)保、效益的需求不斷加大，去產(chǎn)能、提結(jié)構(gòu)的供給側(cè)改革進(jìn)一步推進(jìn)，行業(yè)面臨新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)，新時(shí)代下推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展將是主旋律。他表示，企業(yè)應(yīng)積極順應(yīng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)潮流，通過(guò)產(chǎn)品技術(shù)的研發(fā)以及完善服務(wù)的落地推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色高效發(fā)展。

(3)各截面圓管中心區(qū)域等值線為稀疏同心圓狀，流速梯度較小，軸向速度變化幅度小。水流受后圓柱體料筒阻擋，使得中心區(qū)域水流發(fā)展受阻。

(4)圓管沿圓心至管壁，等值線逐漸密集，流速梯度沿程變大速度值變化迅速。水流受后圓柱體導(dǎo)葉及支撐體的強(qiáng)制導(dǎo)向后，產(chǎn)生繞流現(xiàn)象，使得軸向流速劇烈變化。

2.2 不同測(cè)環(huán)位置軸向速度分析

以直徑為9，18，27，36，45 mm測(cè)環(huán)圓柱側(cè)面測(cè)試范圍為例，分析圓柱體間軸向流速分布，具體見(jiàn)圖5。

從圖5中可以看出：

(1)整體柱狀軸向流速上下左右區(qū)域均呈現(xiàn)不對(duì)稱情況。這是由于水流在后圓柱體車身范圍內(nèi)因支撐體與導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)對(duì)稱布置，下游水流受后圓柱體導(dǎo)流條引流產(chǎn)生周向速度，流速分布因能量的相互傳遞進(jìn)行重新分配。

(2)測(cè)試范圍內(nèi)5個(gè)測(cè)環(huán)柱狀展開流速分布圖中大致呈現(xiàn)管軸上半部分總體等值線比下半部分等值線密集，下半部分呈現(xiàn)等值線尖角低速區(qū)域且隨著橫截面的遞增逐漸縮小至測(cè)試范圍中心橫截面。

(3)隨著橫截面與后圓柱體距離的遞增，軸向流速分布趨向均勻化，測(cè)試范圍內(nèi)下游部分軸向流速比上游部分流速大，并在上游導(dǎo)葉引流作用下軸向流速分布逐漸整體偏離管軸中心線。

圖5 相同測(cè)環(huán)側(cè)面軸向速度分布圖(單位：m/s)Fig.5 Axial velocity distribution on the side of the same measuring ring

2.3 典型測(cè)點(diǎn)軸向速度分析

對(duì)不同測(cè)環(huán)下上典型測(cè)點(diǎn)上軸向速度沿橫截面變化進(jìn)行分析，選取9、18、27、36、45 mm半徑的5個(gè)測(cè)環(huán)上對(duì)應(yīng)0°、60°、120°、180°、240°、300°角度上的測(cè)點(diǎn)為例。具體見(jiàn)圖6。(60°，9 mm)便是極徑為9 mm測(cè)環(huán)上60°極角下的測(cè)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)以此類推。

圖6 不同典型測(cè)點(diǎn)軸向速度沿橫截面變化曲線Fig.6 Variation curves of axial velocity along the cross section of different typical measuring points

從圖6中可以看出：

(1)隨著測(cè)環(huán)直徑的增大，整體上各測(cè)環(huán)沿程橫截面上典型測(cè)點(diǎn)軸向速度是先擴(kuò)散后聚攏的走勢(shì)，緊貼后圓柱體斷面典型測(cè)點(diǎn)軸向速度值極差最大，緊貼前圓柱體斷面典型測(cè)點(diǎn)軸向速度極差最小。

(2)緊貼后圓柱體橫截面軸向速度值大多為負(fù)值，速度方向?yàn)槟嫠鞣较颍S著橫截面的增加，負(fù)值情況減少，該影響范圍集中于半徑為36 mm以內(nèi)。這是由于水流沿后圓柱體導(dǎo)流條及支撐體流動(dòng)至測(cè)試范圍內(nèi)，無(wú)圓柱體及配件的阻擋，過(guò)流面積驟然增大，形成漩渦，使得水流減速至負(fù)方向。

(3)緊貼后圓柱體橫截面各典型測(cè)點(diǎn)軸向速度變化梯度最大，軸向速度分配不均勻。緊貼前圓柱體橫截面上各典型測(cè)點(diǎn)軸向速度值極差小，數(shù)值波動(dòng)小，軸向流速收斂。緊貼前圓柱體支撐體的截面，受前圓柱體阻擋影響，過(guò)流面積驟然縮小，水流受阻。

(4)相同測(cè)環(huán)不同測(cè)點(diǎn)軸向速度沿橫截面變化曲線中，基本成兩組分化狀態(tài)，極角為0°、120°、240°的測(cè)軸上測(cè)點(diǎn)軸向速度普遍大于極角為60°、180°、330°測(cè)環(huán)上測(cè)點(diǎn)的軸向速度。這是由于極角為0°、120°、240°的測(cè)軸位于兩支撐體中間位置，在后圓柱體導(dǎo)葉下游，受后圓柱體導(dǎo)葉導(dǎo)流作用，軸向速度較大。

(5)半徑為9 mm測(cè)環(huán)上各測(cè)點(diǎn)軸向速度沿橫截面變化曲線與圓心上軸向速度沿橫截面變化曲線的走勢(shì)較吻合，半徑9 mm測(cè)環(huán)內(nèi)沿橫截面的圓柱狀區(qū)域與測(cè)環(huán)a外水流流體撞擊影響小，軸向速度與水流其他能量交換變化整體平緩。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)圓柱體間軸向流速分布規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)比分析了不同橫截面、測(cè)環(huán)、典型測(cè)點(diǎn)的軸向速度，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于沿水流方向距離原點(diǎn)不同距離橫截面的水流軸向速度分布，圓柱體間軸向速度分布呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱-軸向速度分布均勻化-趨向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的發(fā)展規(guī)律。

(2)對(duì)于圓柱狀測(cè)量范圍內(nèi)不同直徑的測(cè)環(huán)圓柱體間軸向流速分布，下游水流受后圓柱體導(dǎo)流條引流產(chǎn)生周向速度，流速分布因能量的相互傳遞進(jìn)行重新分配，使得整體柱狀測(cè)量范圍軸向流速上下左右均呈現(xiàn)不對(duì)稱情況；測(cè)試范圍內(nèi)下游部分水流在上游導(dǎo)流條引流作用下軸向流速分布逐漸整體偏離管軸中心線。

(3)水流沿后圓柱體導(dǎo)流條及支撐體流動(dòng)至測(cè)試范圍內(nèi)，無(wú)圓柱體阻擋，過(guò)流面積驟然增大，受旋轉(zhuǎn)對(duì)稱支撐體影響，形成漩渦，使得水流減速至負(fù)方向，緊貼后圓柱體支撐體橫截面中軸向速度出現(xiàn)負(fù)值。