格柵-空腔自激振蕩流場(chǎng)擾動(dòng)形成機(jī)理研究

張永昌，孟 楊，徐宇工

(1.內(nèi)蒙古大學(xué) 交通學(xué)院，呼和浩特 010070；2.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

1 引 言

在一定條件下，當(dāng)流體沿切向流經(jīng)空腔時(shí)會(huì)引發(fā)流場(chǎng)自激振蕩現(xiàn)象，從而造成速度和壓力的強(qiáng)烈波動(dòng)。該問(wèn)題稱為空腔流動(dòng)問(wèn)題，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。此類流場(chǎng)振蕩屬于剪切層自激振蕩，是在空腔流動(dòng)系統(tǒng)中的正逆向兩種擾動(dòng)的耦合作用下產(chǎn)生的[4]。其中，正向擾動(dòng)來(lái)源于腔口分離邊緣(腔口前緣)在開爾文-亥姆霍茲(K-H)不穩(wěn)定性作用下產(chǎn)生的剪切層振蕩。其傳播方向與主流方向一致，且在傳播過(guò)程中不斷放大。當(dāng)正向擾動(dòng)與沖擊邊緣(腔口后緣)產(chǎn)生碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生逆主流方向傳播的逆向擾動(dòng)。當(dāng)逆向擾動(dòng)傳播至分離邊緣時(shí)，又會(huì)對(duì)該位置產(chǎn)生的正向擾動(dòng)起增益的反饋?zhàn)饔?。如此往?fù)循環(huán)，形成了流場(chǎng)自激振蕩現(xiàn)象。目前，相關(guān)研究主要針對(duì)可壓縮流動(dòng)。在該條件下，逆向擾動(dòng)來(lái)源于振蕩的剪切層與沖擊邊緣碰撞產(chǎn)生的向四周傳播的聲波[5]。

在工程中很多空腔結(jié)構(gòu)的開口覆蓋有格柵或孔板等蓋板，如大型客車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙、軌道車輛的設(shè)備艙、汽車尾氣消聲器和各種通風(fēng)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)中的流動(dòng)可以看作是不可壓縮流動(dòng)，其流場(chǎng)仍會(huì)產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象，從而引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)或噪聲等問(wèn)題[6-9]。

將上述流動(dòng)問(wèn)題稱為格柵-空腔流動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于此類流動(dòng)，雖然蓋板結(jié)構(gòu)不同，但其流動(dòng)規(guī)律基本相同[10-14]。與經(jīng)典空腔流動(dòng)類似，這種條件下產(chǎn)生流場(chǎng)自激振蕩現(xiàn)象同樣需要正逆向兩種擾動(dòng)的相互作用。

正向擾動(dòng)研究方面，格柵周圍會(huì)形成一個(gè)較大的沿來(lái)流方向運(yùn)動(dòng)的渦量集中區(qū)域[10]，由渦量聚集產(chǎn)生的大尺度渦團(tuán)沿格柵向下游運(yùn)動(dòng)，形成向下游傳播的擾動(dòng)，即正向擾動(dòng)[13,15]。

逆向擾動(dòng)研究方面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，格柵-空腔流場(chǎng)自激振蕩的斯特勞哈爾數(shù)與經(jīng)典空腔流動(dòng)基本相同。另外，隨著空腔孔板長(zhǎng)度的增加，振蕩頻率出現(xiàn)跳躍式變化，這也與經(jīng)典空腔流動(dòng)類似。因此，研究者首先推測(cè)格柵-空腔流動(dòng)系統(tǒng)中也存在和經(jīng)典空腔流動(dòng)類似的逆向擾動(dòng)的反饋?zhàn)饔肹10]。隨后人們開始尋找該擾動(dòng)的形成原因。由于流動(dòng)速度很低，在沖擊邊緣產(chǎn)生的聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于空腔長(zhǎng)度，故可以忽略聲波的反饋?zhàn)饔肹10,11]。由粒子圖像測(cè)速(PIV)結(jié)果可知，格柵內(nèi)側(cè)會(huì)形成與主流方向相反的呈周期性變化的逆向擾流，并構(gòu)成該流動(dòng)系統(tǒng)中的逆向擾動(dòng)[11]。而這種逆向擾流的來(lái)源尚未明確。文獻(xiàn)[6]研究顯示，沖擊邊緣附近的振蕩幅值較大，并認(rèn)為逆向擾動(dòng)產(chǎn)生于該區(qū)域。文獻(xiàn)[15]在該區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在每一次振蕩循環(huán)中均會(huì)出現(xiàn)且位置基本固定的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)，并認(rèn)為其可能是逆向擾動(dòng)的來(lái)源。而文獻(xiàn)[13]則認(rèn)為逆向擾流產(chǎn)生于大尺度渦團(tuán)與沖擊邊緣的碰撞過(guò)程。

綜上所述，流場(chǎng)中的正逆向擾動(dòng)是形成格柵-空腔流場(chǎng)自激振蕩現(xiàn)象的關(guān)鍵要素。目前針對(duì)正向擾動(dòng)的研究聚焦于沿格柵向下游運(yùn)動(dòng)的大尺度渦團(tuán)，但該渦團(tuán)的形成原因尚未明確。另一方面，對(duì)于逆向擾動(dòng)的研究歸結(jié)為探究逆向擾流的成因，該問(wèn)題目前仍未解決。針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究格柵-空腔流動(dòng)系統(tǒng)中的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，對(duì)流場(chǎng)中擾動(dòng)的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，以期對(duì)格柵-空腔自激振蕩流場(chǎng)擾動(dòng)形成機(jī)理進(jìn)行解釋。

2 問(wèn)題描述

本文所用數(shù)值模擬模型如圖1所示。該模型大致可分為兩部分，上半部分為數(shù)值水洞，下半部分為裝有格柵蓋板的空腔。流體從水洞左側(cè)以速度u∞=0.8 m/s沿x正向流入，經(jīng)過(guò)格柵-空腔系統(tǒng)，由水洞右側(cè)的出口流出。在此過(guò)程中，空腔內(nèi)外的流體能夠從格柵間隔中自由進(jìn)出。流體的物性參數(shù)與常溫下的水一致，其密度ρ=998.2 kg·m-3，動(dòng)力粘度μ=1.002×10-3kg·m-1·s-1。

圖2放大顯示了圖1虛線所包含的格柵結(jié)構(gòu)。其中，格柵板長(zhǎng)度，即分離邊緣與沖擊邊緣之間的距離L=198 mm，格柵肋片厚度H=8 mm，寬度為W=2 mm，肋片間隔G=8 mm。在其中三個(gè)肋片及沖擊邊緣的左上角處分別設(shè)置測(cè)點(diǎn)P1，P10，P15和P20，用以監(jiān)測(cè)這些位置的流場(chǎng)參數(shù)時(shí)序數(shù)據(jù)。

3 數(shù)值方法

根據(jù)流動(dòng)條件，假設(shè)流動(dòng)是二維的[6,16]，忽略溫度的影響及流體的可壓縮性，采用大渦模擬LES方法模擬湍流流動(dòng)。流動(dòng)控制方程為

圖1 數(shù)值模擬模型

圖2 格柵結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)位置

(1)

(2)

(3)

計(jì)算域如圖1所示。其邊界條件設(shè)置如下,在入口邊界，假設(shè)流體流動(dòng)速度分布均勻，主流流速u∞=0.8 m/s，來(lái)流湍流強(qiáng)度為5%；出口邊界為壓力出口邊界，設(shè)定其相對(duì)壓力為0 Pa。其余邊界為無(wú)滑移壁面邊界。

在選取時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，為保證求解穩(wěn)定，需要控制庫(kù)朗數(shù)小于1。同時(shí)，流動(dòng)的時(shí)頻特性是本文研究的重點(diǎn)，為了提高模擬結(jié)果的頻率分辨率，時(shí)間步長(zhǎng)也需要滿足采樣定理的要求，即采樣頻率fs=1/Δt應(yīng)大于奈奎斯特頻率的2倍。綜合上述兩方面的要求，結(jié)合試算結(jié)果，最終確定時(shí)間步長(zhǎng)為 5×10-4s。

表1 不同網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果對(duì)比

使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件Fluent進(jìn)行模擬。采用中心差分格式離散對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)。采用PISO方法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合求解。使用二階差分格式進(jìn)行時(shí)間離散。詳見文獻(xiàn)[17]。

4 結(jié)果分析

4.1 格柵-空腔流場(chǎng)自激振蕩頻譜特征

圖4給出了沖擊邊緣(測(cè)點(diǎn)P20)處的壓力系數(shù)Cp的功率密度譜，其振蕩頻譜中具有一系列明顯的峰值。其中，壓力系數(shù)振幅最大的峰值能量為A1，其對(duì)應(yīng)的斯特勞哈爾數(shù)Sr1為0.48。圖中A2,A3,…,A7標(biāo)記了其余主要峰值，其所對(duì)應(yīng)的Sr數(shù)分別為Sr2,Sr3,…,Sr7，且基本等于Sr1的整數(shù)倍。表明這些峰值為最大峰值的諧波成分。

圖4 測(cè)點(diǎn)P20處壓力系數(shù)Cp的功率密度譜

不同測(cè)點(diǎn)的A1及Sr1如圖5所示。其中，振蕩能量由左至右逐漸升高，并在沖擊邊緣附近降低。同時(shí)，不同測(cè)點(diǎn)的振蕩頻率相同。這體現(xiàn)了格柵左側(cè)剪切層擾動(dòng)(即正向擾動(dòng))沿來(lái)流向下游傳播并逐漸放大的過(guò)程。進(jìn)一步的討論將在4.6節(jié)展開。

圖5 不同測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)頻譜峰值A(chǔ)1及S r1

4.2 格柵-空腔流場(chǎng)時(shí)均結(jié)構(gòu)

圖6以時(shí)均流線圖的形式顯示了第9～11個(gè)格柵間隔內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在格柵外側(cè)切向來(lái)流的誘導(dǎo)作用下，每個(gè)格柵間隔中均會(huì)形成一個(gè)與格柵間隔尺度相同的渦團(tuán)，文獻(xiàn)[13]將其稱為小尺度渦團(tuán)。

圖6 格柵間隔中的小尺度渦團(tuán)

如圖7所示，在上述小尺度渦團(tuán)的作用下，空腔內(nèi)會(huì)形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的大尺度漩渦。在其影響下，格柵內(nèi)側(cè)會(huì)形成與來(lái)流方向相反的逆向流動(dòng)，這為逆向擾動(dòng)的形成創(chuàng)造了條件。

圖7 空腔內(nèi)部時(shí)均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

4.3 格柵-空腔流場(chǎng)演化過(guò)程

圖8利用無(wú)量綱渦量云圖顯示了格柵周圍流場(chǎng)的演化過(guò)程。其中，正值表示沿z軸(圖1)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，負(fù)值為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則格柵間隔中的負(fù)渦量代表圖6所示小尺度渦團(tuán)?？傮w上，格柵左側(cè)流場(chǎng)較為穩(wěn)定，而中部及右側(cè)流場(chǎng)變化較劇烈。

圖8 格柵周圍流場(chǎng)演化過(guò)程(無(wú)量綱時(shí)間t u∞/L=0,0.42,0.83,1.25,1.66,2.08)

*由于小尺度渦團(tuán)數(shù)量較多，圖8僅標(biāo)注了部分小尺度渦團(tuán)的位置。實(shí)際上，格柵左側(cè)及中部間隔中均存在小尺度渦團(tuán)。

記圖8(a)對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱時(shí)間tu∞/L=0，在該時(shí)刻，格柵中部若干間隔中的小尺度渦團(tuán)向下脫離格柵間隔，并進(jìn)入空腔。隨后，該過(guò)程在下游格柵間隔中從左至右依次進(jìn)行。在此期間，負(fù)渦量不斷由格柵間隔輸運(yùn)至格柵內(nèi)側(cè)，并逐漸聚集成為橫跨多個(gè)格柵的負(fù)渦量集中區(qū)域，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的大尺度渦團(tuán)(圖8(b，c))。該渦團(tuán)沿來(lái)流逐漸向格柵右側(cè)移動(dòng)，并持續(xù)吸收下游格柵間隔中產(chǎn)生的負(fù)渦量(圖8(d))。當(dāng)大尺度渦團(tuán)接近格柵末端的沖擊邊緣時(shí)，受壁面的擠壓作用，其尺度開始減小(圖8(e))。在與沖擊邊緣發(fā)生碰撞后，該渦團(tuán)受到分割而失去原有渦旋結(jié)構(gòu)(圖8(f))。此時(shí)，在格柵上游間隔中又產(chǎn)生了新的小尺度渦團(tuán)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與 圖8(a)基本相同。在流動(dòng)條件不變的情況下，上述過(guò)程會(huì)不斷重現(xiàn)，形成周期性變化流場(chǎng)。由圖8可得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化無(wú)量綱周期tu∞/L約為2.08，對(duì)應(yīng)的Sr為0.48。該值與4.1節(jié)中流動(dòng)參數(shù)變化的Sr1相同，表明流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化與流場(chǎng)擾動(dòng)傳播具有直接關(guān)系。

4.4 正向擾動(dòng)形成及傳播規(guī)律

正向擾動(dòng)由上游向下游傳播，在此過(guò)程中，流場(chǎng)的速度和壓力等參數(shù)均會(huì)隨之產(chǎn)生變化。本節(jié)通過(guò)分析沿格柵布置的測(cè)點(diǎn)處的壓力變化對(duì)其進(jìn)行研究。從圖9給出的測(cè)點(diǎn)P1，P10，P15和P20的壓力變化曲線可以看出，流場(chǎng)中不同位置均存在周期性振蕩現(xiàn)象。同時(shí)，壓力變化曲線標(biāo)注了對(duì)應(yīng)于圖8的時(shí)刻。通過(guò)對(duì)比圖8和圖9可以看出，在大尺度渦團(tuán)經(jīng)過(guò)某一測(cè)點(diǎn)時(shí)，該位置的壓力接近波谷，而大尺度渦團(tuán)邊緣的區(qū)域壓力較高。因此，在一系列大尺度渦團(tuán)流經(jīng)某區(qū)域時(shí)會(huì)造成該區(qū)域的壓力呈周期性變化。這表明大尺度渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)參數(shù)的振蕩具有直接影響，是流場(chǎng)中正向擾動(dòng)的體現(xiàn)。

另一方面，可以通過(guò)壓力曲線的波谷標(biāo)注大尺度渦團(tuán)的位置。從圖9可以看出，在時(shí)間維度上，測(cè)點(diǎn)P1壓力曲線的波谷與測(cè)點(diǎn)P10的相差 0.52T(T為流場(chǎng)振蕩周期)。表明大尺度渦團(tuán)由測(cè)點(diǎn)P1運(yùn)動(dòng)至測(cè)點(diǎn)P10所經(jīng)歷的時(shí)間為0.52T。在空間維度上，測(cè)點(diǎn)P1與P10相距約0.47L′(L′為測(cè)點(diǎn)P1與P20之間的距離)。對(duì)于P1和P15及P1和P20，壓力波谷之間的時(shí)間差分別為0.78T和1.02T，而空間距離分別為0.76L′和1L′。上述時(shí)間間隔與空間間隔具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，考慮到標(biāo)注渦團(tuán)位置時(shí)產(chǎn)生的誤差，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可以從一定程度上定量地說(shuō)明大尺度渦團(tuán)為正向擾動(dòng)的具體體現(xiàn)。

圖9 不同測(cè)點(diǎn)處的壓力變化曲線

結(jié)合4.3節(jié)的內(nèi)容，通過(guò)研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及壓力振蕩之間的關(guān)系，可將流場(chǎng)中正向擾動(dòng)的產(chǎn)生與傳播過(guò)程總結(jié)如下,當(dāng)流體流經(jīng)格柵時(shí)，促使每個(gè)格柵間隔中形成小尺度渦團(tuán)。上游(格柵左側(cè))小尺度渦團(tuán)不斷脫離格柵間隔，形成最初的正向擾動(dòng)。同時(shí)，小尺度渦團(tuán)的脫離是由上游至下游依次進(jìn)行的，這體現(xiàn)了擾動(dòng)沿來(lái)流方向的傳播過(guò)程。隨后，小尺度渦團(tuán)逐漸聚集為大尺度渦團(tuán)并繼續(xù)向下游遷移，這體現(xiàn)了正向擾動(dòng)的放大及持續(xù)傳播過(guò)程。雖然正向擾動(dòng)最為明顯的體現(xiàn)是大尺度渦團(tuán)的形成與遷移，但其產(chǎn)生的源頭為小尺度渦團(tuán)的脫離過(guò)程。

4.5 逆向擾動(dòng)形成及傳播規(guī)律

如上所述，流場(chǎng)中的逆向擾動(dòng)是形成流場(chǎng)自激振蕩的另一個(gè)必要因素。在不可壓縮條件下，逆向擾動(dòng)的來(lái)源為格柵內(nèi)側(cè)的逆向擾流。從圖7可以看出，該流動(dòng)系統(tǒng)中的逆向擾流出現(xiàn)于格柵內(nèi)側(cè)。目前，這種逆向擾流的來(lái)源尚未明確。相關(guān)研究推測(cè)其產(chǎn)生于沖擊邊緣附近格柵內(nèi)側(cè)形成的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)[15]，并由下游向上游傳播。借助數(shù)值模擬空間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)該渦團(tuán)的演化過(guò)程進(jìn)行細(xì)致的研究，以明確逆向擾流的形成原因。

圖10顯示了沖擊邊緣附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化情況。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)產(chǎn)生于一個(gè)大尺度渦(渦團(tuán)A)與沖擊邊緣相撞的過(guò)程。如圖10(b，c)所示，在碰撞過(guò)程中，這一渦團(tuán)對(duì)x方向流動(dòng)速度的影響十分有限，其周圍的流體基本沿y方向流動(dòng)。隨后，如圖10(c)所示，一個(gè)新形成的大尺度渦團(tuán)(渦團(tuán)B)由左側(cè)運(yùn)動(dòng)至該區(qū)域。在其影響下，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)失去原有形態(tài)，并成為了逆向流動(dòng)的一部分(圖10(d))。

在上述過(guò)程中，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)并未激發(fā)明顯的逆向擾流。同時(shí)，逆向擾流在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)生成之前就已經(jīng)產(chǎn)生。這表明，雖然準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)最終會(huì)成為逆向擾流的一部分，對(duì)逆向擾動(dòng)的形成具有促進(jìn)作用，但它并不是逆向擾動(dòng)的來(lái)源。

根據(jù)本文模擬結(jié)果，流場(chǎng)中的逆向擾流來(lái)自于流場(chǎng)中的小尺度渦團(tuán)脫離格柵間隔的過(guò)程。從 圖10 可以看出，每一次小尺度渦團(tuán)脫離過(guò)程都會(huì)使其所在格柵間隔內(nèi)側(cè)促發(fā)局部逆向流動(dòng)。隨著小尺度渦團(tuán)依次脫離格柵間隔，格柵內(nèi)側(cè)便形成了逆向擾流。顯然，這種擾流是自上游向下游依次產(chǎn)生的，而并非由空腔后緣產(chǎn)生從而向上游傳播。

上述情況能夠從圖11和圖12所示結(jié)果得到定量的印證。從圖11的x方向平均無(wú)量綱速度ux/u∞云圖可以看出，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)所在位置所產(chǎn)生的逆向速度(ux/u∞<0)小于格柵中部。平均逆向速度最大的位置出現(xiàn)在格柵中部?jī)?nèi)側(cè)，該區(qū)域正是小尺度渦團(tuán)脫離過(guò)程發(fā)生的位置。

圖10 格柵內(nèi)側(cè)沖擊邊緣附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化(無(wú)量綱時(shí)間t u∞/L=1.66,2.08,2.50,2.92)

另一方面，逆向擾流會(huì)引起x方向的速度波動(dòng)，通過(guò)考察該速度波動(dòng)幅值的分布規(guī)律可以明確逆向擾動(dòng)的主要產(chǎn)生位置。因此，在圖11所示虛線位置設(shè)置監(jiān)測(cè)線。該監(jiān)測(cè)線位于格柵內(nèi)側(cè)，與格柵下平面之間的距離為2G。圖12給出了該監(jiān)測(cè)線上x方向無(wú)量綱速度振蕩幅值A(chǔ)u x沿x的變化趨勢(shì)。可以看出，逆向速度振蕩幅值沿x呈先逐漸增加后迅速下降的趨勢(shì)，該值在格柵中后部(x/L=0.6～0.8)較大，而在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)所在的位置(x/L=0.8～1.0)較小。這同樣說(shuō)明逆向擾動(dòng)來(lái)源于小尺度渦團(tuán)的脫離過(guò)程而非在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)的作用下產(chǎn)生。

圖11 平均無(wú)量綱速度ux/u∞云圖

圖12 格柵內(nèi)側(cè)Au x 沿x分布

4.6 擾動(dòng)增長(zhǎng)與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系

綜上所述，在格柵-空腔流動(dòng)系統(tǒng)中，其正向擾動(dòng)為沿主流方向運(yùn)動(dòng)的大尺度渦團(tuán)，逆向擾動(dòng)為與之運(yùn)動(dòng)方向相反的逆向擾流。在大尺度渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不斷有逆向擾流為其提供能量，這一過(guò)程體現(xiàn)了逆向擾動(dòng)對(duì)正向擾動(dòng)的增益作用。圖13給出了擾動(dòng)增長(zhǎng)與渦團(tuán)演化之間的關(guān)系。其中，上半部分為格柵不同位置渦團(tuán)結(jié)構(gòu)演化的示意圖。下半部分的柱狀圖用格柵外側(cè)一階壓力振蕩幅值A(chǔ)c p來(lái)表示正向擾動(dòng)的大小，顯示了其沿x的變化趨勢(shì)。渦團(tuán)演化及正向擾動(dòng)均呈現(xiàn)出三個(gè)階段的變化。在格柵左側(cè)(x/L=0～0.2)，小尺度渦團(tuán)的狀態(tài)較穩(wěn)定，并未完全脫離格柵間隔，所產(chǎn)生的逆向擾流十分有限。在該區(qū)域，大尺度渦團(tuán)尚未形成，正向擾動(dòng)增長(zhǎng)緩慢。在格柵中部(x/L=0.2～0.75)，小尺度渦團(tuán)依次脫離并產(chǎn)生逆向擾流，大尺度渦團(tuán)逐步形成并不斷發(fā)展，正向擾動(dòng)迅速增大。在格柵后部分(x/L=0.75～1)，由于下游處為平板，無(wú)法形成小尺度渦團(tuán)及逆向擾流，故逆向擾動(dòng)的反饋?zhàn)饔孟?。同時(shí)，大尺度渦團(tuán)逐漸受固體壁面擠壓直至變形，所以該區(qū)域的正向擾動(dòng)逐漸減弱。

圖13 渦團(tuán)結(jié)構(gòu)演化(上)與正向擾動(dòng)沿x方向分布(下)

5 結(jié) 論

在格柵-空腔流動(dòng)中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生流場(chǎng)自激振蕩現(xiàn)象。根據(jù)與之類似的經(jīng)典空腔流動(dòng)的研究成果可知，這種現(xiàn)象是在流場(chǎng)中正逆向兩種擾動(dòng)的耦合作用下形成的。以往研究在經(jīng)典空腔流動(dòng)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行,大尺度渦團(tuán)是格柵-空腔流動(dòng)系統(tǒng)中正向擾動(dòng)的體現(xiàn)，同時(shí)也是引起流場(chǎng)振蕩的主要因素。另一方面，沖擊邊緣附近、格柵內(nèi)側(cè)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)渦團(tuán)可能是逆向擾動(dòng)的來(lái)源。逆向擾動(dòng)對(duì)正向擾動(dòng)產(chǎn)生正反饋的位置在分離邊緣附近。

本文對(duì)格柵-空腔流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)分析壓力振蕩數(shù)據(jù)和渦團(tuán)結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，對(duì)兩種擾動(dòng)的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行了進(jìn)一步研究。模擬結(jié)果顯示,格柵間隔中形成的小尺度渦團(tuán)對(duì)正逆向擾動(dòng)的形成均具有重要影響。對(duì)于正向擾動(dòng)，小尺度渦團(tuán)依次脫離格柵間隔，造成剪切層振蕩。同時(shí)，小尺度渦團(tuán)在格柵內(nèi)側(cè)聚集成大尺度渦團(tuán)，是正向擾動(dòng)增長(zhǎng)的具體表現(xiàn)。小尺度渦團(tuán)脫離格柵間隔后產(chǎn)生的逆向擾流是逆向擾動(dòng)的來(lái)源。這一擾動(dòng)不斷產(chǎn)生并使正向擾動(dòng)持續(xù)增強(qiáng)。即正向擾動(dòng)在傳播過(guò)程中持續(xù)受逆向擾動(dòng)的正反饋?zhàn)饔谩?/p>

綜上所述，盡管均屬于剪切層自激振蕩，但通過(guò)經(jīng)典空腔流動(dòng)理論解釋格柵-空腔流動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理并不十分準(zhǔn)確。前者的正逆向擾動(dòng)分別產(chǎn)生于空腔的前后緣，且逆向擾動(dòng)對(duì)正向擾動(dòng)的反饋?zhàn)饔冒l(fā)生在分離邊緣。后者的正逆向擾動(dòng)均產(chǎn)生于格柵間隔中小尺度渦團(tuán)的分離過(guò)程，且下游產(chǎn)生的逆向擾動(dòng)會(huì)對(duì)上游的正向擾動(dòng)產(chǎn)生持續(xù)的正反饋?zhàn)饔谩?/p>