間隙比對(duì)近壁不同鈍體渦激振動(dòng)特性的影響

翟少華，謝福興，尹廣洲，喜冠南

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

流體在壁面流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生邊界層[1]，受邊界層影響，壁面附近會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)，而在近壁面插入鈍體能夠改變流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài).在許多工程領(lǐng)域中，為達(dá)到節(jié)能降耗的目的，流體在輸送管道近壁區(qū)的流動(dòng)一直是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一[2]，例如在鋪設(shè)海底輸送管道時(shí)，合理設(shè)置管道與海底面的距離從而減少海水對(duì)管道的沖擊破壞；在換熱器的設(shè)計(jì)中，在靠近壁面處合理增加鈍體從而提高換熱效率等.近壁單圓柱和單方柱作為最基礎(chǔ)的模型，其流動(dòng)規(guī)律的異同點(diǎn)值得探究.

關(guān)于間隙比對(duì)近壁插入不同鈍體繞流影響的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們進(jìn)行了一些試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算.圓柱或方柱與壁面間的距離L與其截面特征長(zhǎng)度(圓柱直徑或方柱邊長(zhǎng))D的比值為間隙比，萬(wàn)津津[3]利用PIV對(duì)不同L/D下近壁方柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出抑制渦街的臨界間隙比在0.3～0.4，當(dāng)L/D=0.1時(shí)方柱靠近壁面一側(cè)不再有旋渦脫落，分離邊界層在方柱下游7.25D處壁面再附.LEI等[4]發(fā)現(xiàn)壁面邊界層厚度與L/D是影響繞流尾跡結(jié)構(gòu)的重要參數(shù).許慧等[5]對(duì)不同L/D下近壁單圓柱對(duì)壁面擾動(dòng)影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出Re=200時(shí)，L/D=1.0為最佳插入位置，而Re=500時(shí)，L/D=0.6近壁區(qū)域擾動(dòng)最強(qiáng)烈.ZHAO[6]對(duì)靜態(tài)流體中近壁面振蕩圓柱進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)L/D=0.1時(shí)會(huì)顯著增加阻力系數(shù)和慣性系數(shù)，若L/D=1.0或更高，與無(wú)近壁圓柱相比阻力系數(shù)變化不到10%.王國(guó)興等[7]對(duì)不同L/D和Re下近壁圓柱繞流的水動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，得出L/D較小時(shí)，渦街中線有下移趨勢(shì)，尾流形態(tài)有明顯的規(guī)則性和相似性.DURO等[8]通過(guò)對(duì)Re=1.4×104時(shí)不同L/D下單方柱繞流的頻譜分析，得出當(dāng)L/D≥1.0時(shí)出現(xiàn)單個(gè)明顯峰值，表明渦脫落有規(guī)律性.CHEN等[9]通過(guò)對(duì)Re=200時(shí)近壁圓柱繞流橫向振動(dòng)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)L/D≤0.5時(shí)尾流的逆時(shí)針旋渦會(huì)受到抑制，且隨著L/D減小圓柱上部順時(shí)針旋渦很強(qiáng)而下部逆時(shí)針旋渦逐漸減弱，另外壁面對(duì)圓柱的固有頻率有顯著影響.MUNIR等[10]對(duì)振蕩流中近壁圓柱的流致振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)平面邊界顯著影響橫流方向上的振動(dòng)幅度.LI等[11]研究了L/D=0，0.1，0.5時(shí)近壁圓柱尾流特性，發(fā)現(xiàn)渦隨著L/D增大，同一符號(hào)的單列相干結(jié)構(gòu)隨L/D的變化而變化為偶極渦脫落增加，與固體壁面間存在復(fù)雜的相互作用.XIONG等[12]針對(duì)中、低斯托克斯數(shù)時(shí)不同L/D下的近壁面圓柱周圍的振蕩流進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，確定了3種邊際穩(wěn)定性曲線隨L/D變化的機(jī)制.

目前關(guān)于間隙比對(duì)近壁插入圓柱和方柱的研究主要集中在數(shù)值計(jì)算、湍流狀態(tài)，而過(guò)渡流狀態(tài)下關(guān)于兩者對(duì)比的試驗(yàn)研究還較少，其渦激振動(dòng)特性的差異還未完全研究清楚.因此，文中選取雷諾數(shù)Re=300，對(duì)近壁插入的單圓柱和方柱模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析不同間隙比L/D下兩者渦激振動(dòng)特性的異同點(diǎn)，對(duì)實(shí)際工程領(lǐng)域應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值.

1 試驗(yàn)平臺(tái)與裝置

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

開式循環(huán)水槽試驗(yàn)臺(tái)由水箱、調(diào)速閥、整流段、大、小蜂窩器、收縮段、試驗(yàn)段、過(guò)渡段、水泵等組成，如圖1所示.

圖1 開式循環(huán)水槽試驗(yàn)臺(tái)示意圖

水槽通過(guò)水泵從下水箱將水抽至上水箱，通過(guò)調(diào)速閥控制流速，水依次流入有大蜂窩器的整流段、收縮段.(收縮段形狀通過(guò)三次方曲線擬合用于流體的加速及整流.)在收縮段與試驗(yàn)段連接處放置小蜂窩器用于二次整流.圖2為用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)[13]拍攝試驗(yàn)段并后處理的速度矢量圖.從圖中可以看出速度矢量均勻分布，表明二次整流后流場(chǎng)相當(dāng)穩(wěn)定.流體通過(guò)試驗(yàn)段流過(guò)模型后，為防止流體回流造成影響，設(shè)置了較長(zhǎng)的過(guò)渡段，然后進(jìn)入最右側(cè)水箱，最后由底側(cè)水管回流至下水箱，完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程.

圖2 試驗(yàn)段激光截面速度矢量圖

1.2 粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)

圖3為粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)PIV示意圖，主要由雙脈沖激光器、冷卻器、CCD高速相機(jī)、同步控制器、計(jì)算機(jī)等組成.試驗(yàn)所用的示蹤粒子是擁有較好光散射性和跟隨性、密度接近于水不易沉浮、平均直徑為13 μm的鍍銀空心玻璃球.由同步控制器同步激光頻率與相機(jī)拍攝頻率，雙脈沖激光器通過(guò)導(dǎo)光臂發(fā)射出垂直于水面的片狀激光，同時(shí)由垂直于試驗(yàn)臺(tái)側(cè)面的CCD相機(jī)拍攝激光照亮的區(qū)域，收集到的圖像信息會(huì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再通過(guò)軟件進(jìn)行后處理.圖1中試驗(yàn)段的材料為光滑透明的亞克力玻璃板，當(dāng)激光的片光垂直照射在壁面時(shí)，能夠最大限度允許光的透射，有效抑制了壁面反光引起的光學(xué)污染[14].

圖3 試驗(yàn)臺(tái)PIV系統(tǒng)示意圖

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c參數(shù)

本研究中，雷諾數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中：ρ為流體密度；Um為平均速度；D為模型特征長(zhǎng)度；μ為黏性系數(shù).

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾萌鐖D4所示，圖中U為進(jìn)口速度，D為鈍體特征長(zhǎng)度(圓柱的直徑或方柱的邊長(zhǎng))，L為鈍體下邊緣距壁面的距離，L/D為間隙比.試驗(yàn)中，Re=300，D=15 mm，水溫T=20 ℃.雙脈沖激光器的頻率為20 Hz，每個(gè)工況拍攝400張照片，分別對(duì)L/D為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0進(jìn)行分析.

圖4 模型的試驗(yàn)布置和參數(shù)設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 時(shí)均流場(chǎng)分析

考慮到時(shí)均特性的一般性特征，對(duì)2種模型尾流的時(shí)均流場(chǎng)及渦量進(jìn)行對(duì)比分析.在流場(chǎng)中，渦激振動(dòng)特性變化主要變現(xiàn)為尾流處分離剪切層的變化以及渦的尺度變化.渦量一般定義為流體速度矢量的旋度，其中藍(lán)色表示負(fù)渦，引導(dǎo)順時(shí)針流動(dòng)；紅色表示正渦，引導(dǎo)逆時(shí)針流動(dòng).顏色的深淺程度表示渦量強(qiáng)度的大小，渦激振動(dòng)特性變化表現(xiàn)為渦量分布區(qū)域大小和渦量的強(qiáng)弱變化.兩者的時(shí)均流場(chǎng)圖及渦量圖分別如圖5，6所示.

圖5 不同L/D下模型的時(shí)均流線及速度場(chǎng)圖

在同一Re，不同L/D下，如Re=300，L/D=0.2時(shí)，流體流過(guò)鈍體表面形成雙側(cè)分離剪切層，上側(cè)剪切層形成順時(shí)針回流，渦量強(qiáng)度較大.此時(shí)間隙較小，下側(cè)剪切層發(fā)展受到抑制，經(jīng)過(guò)間隙流體的流速加快，在鈍體后側(cè)近處形成強(qiáng)度較小的逆時(shí)針負(fù)渦，在較遠(yuǎn)處形成了順時(shí)針回流區(qū).當(dāng)L/D=0.4，0.6時(shí)，上側(cè)順時(shí)針正渦的強(qiáng)度較L/D=0.2時(shí)減小，間隙增大使得下側(cè)分離剪切層慢速發(fā)展，逆時(shí)針負(fù)渦強(qiáng)度增大，與上側(cè)正渦構(gòu)成旋渦對(duì).近壁方柱后側(cè)近處的旋渦對(duì)尺度更大，遠(yuǎn)處正渦尺度較L/D=0.2略微增大且逐漸貼近壁面.當(dāng)L/D=0.8時(shí)，壁面的抑制作用減弱，后側(cè)形成旋渦對(duì)的尺度以及渦量強(qiáng)度逐漸增大.相比于同工況的近壁圓柱，方柱后側(cè)旋渦對(duì)尺度更大.當(dāng)L/D=1.0時(shí)，壁面的抑制作用進(jìn)一步減弱，鈍體后側(cè)旋渦對(duì)趨于對(duì)稱，而尺度以及渦量強(qiáng)度較L/D=0.8相差不大，與無(wú)壁面時(shí)的特性相似，說(shuō)明壁面對(duì)鈍體繞流的影響較小.

圖6 不同L/D下模型的時(shí)均渦量圖

2.2 速度截面分析

為研究不同L/D對(duì)壁面流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響規(guī)律，結(jié)合時(shí)均速度截面分布進(jìn)行分析，3個(gè)截面位置分別選擇X/D=1.5，3.0，4.5處.

當(dāng)Re=300時(shí)，不同X/D下的2種模型的速度截面分布如圖7所示.當(dāng)L/D=0.2時(shí)，間隙較小，近壁面區(qū)域流動(dòng)加速，但是壁面的抑制作用強(qiáng)，加速效果不明顯；當(dāng)L/D=0.4，0.6時(shí)，圓柱后側(cè)遠(yuǎn)處順時(shí)針回流區(qū)消失，近壁面流速明顯加快，而方柱壁面附近流速變化不明顯；當(dāng)L/D=0.8時(shí)，間隙繼續(xù)增大，抑制作用的減弱使近壁面流速繼續(xù)增大，此時(shí)方柱后側(cè)遠(yuǎn)處順時(shí)針回流區(qū)消失，近壁面附近流速明顯增大；當(dāng)L/D=1.0時(shí)，壁面的抑制作用進(jìn)一步減弱，下游剪切層充分發(fā)展，近壁面附近流體加速效果達(dá)到最強(qiáng).

圖7 不同L/D下圓柱和方柱后側(cè)截面的速度截面分布圖

當(dāng)L/D=0.2時(shí)，X/D=3.0正處于遠(yuǎn)處順時(shí)針回流區(qū)邊緣，受其影響，兩模型壁面附近流速幾乎為0，此時(shí)壁面擾動(dòng)較弱.當(dāng)L/D=0.4時(shí)，抑制作用減弱，圓柱近壁面流速變化不明顯，而遠(yuǎn)處順時(shí)針回流區(qū)消失導(dǎo)致圓柱后側(cè)流速大幅增加，此時(shí)方柱壁面附近流速也明顯加快.當(dāng)L/D=0.6～1.0時(shí)，抑制作用逐漸減小，兩模型壁面附近流速逐漸增大，在L/D=1.0時(shí)達(dá)到最快.

當(dāng)L/D=0.2，0.4時(shí)，X/D=4.5處于遠(yuǎn)處順時(shí)針回流區(qū)附近，兩者近壁面附近流速出現(xiàn)負(fù)值，壁面附近出現(xiàn)回流；當(dāng)L/D=0.6時(shí)，圓柱后側(cè)流速隨著與壁面垂直距離增加而增大.而方柱遠(yuǎn)處仍然存在順時(shí)針回流區(qū)，壁面流速無(wú)明顯變化，且方柱后側(cè)流速比同位置圓柱的更??；當(dāng)L/D=0.8，1.0時(shí)，方柱在X/D=4.5處流速曲線與X/D=1.5，3.0相似，而圓柱此處流速隨著間隙增大而增大.這是由于相同工況下，X/D=4.5處圓柱后側(cè)旋渦對(duì)尺度更小，對(duì)此處流速影響也更小，使其逐漸接近主流區(qū)流速.

2.3 瞬態(tài)周期流動(dòng)特性

過(guò)渡流狀態(tài)下的流場(chǎng)具有周期性變化規(guī)律[15]，對(duì)兩者的流動(dòng)周期性進(jìn)行分析.選取L/D=0.2，0.6，1.0時(shí)分析尾流監(jiān)測(cè)點(diǎn)A在y方向速度隨時(shí)間的變化特征.為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到壁面附近的流動(dòng)情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在與鈍體中心的橫向距離X=2.5D處，垂直距離y隨L/D變化.

圖8，9分別為不同L/D下監(jiān)測(cè)點(diǎn)A在y方向上的速度隨時(shí)間變化波動(dòng)圖(v-t)、功率譜密度圖(PSD-f).可以看出，當(dāng)L/D=0.2時(shí)，兩者的v隨t在水平軸線附近無(wú)規(guī)律變化且振幅較小，對(duì)應(yīng)的能量譜密度也在多頻率下出現(xiàn)不同峰值，表明此時(shí)流體的渦激振動(dòng)沒(méi)有周期性特征.

圖8 不同L/D下的2種模型的速度波動(dòng)圖

圖9 不同L/D下2種模型的功率譜圖

當(dāng)L/D=0.6時(shí)，圓柱v振幅增大，而方柱變化不明顯.隨t變化，兩者v都表現(xiàn)出了周期性規(guī)律，圓柱和方柱對(duì)應(yīng)的功率譜密度分別在頻率為1.5，1.2 Hz左右處出現(xiàn)了單一峰值，表明兩者分別形成了振動(dòng)主頻率約為1.5，1.2 Hz的周期性振動(dòng).當(dāng)L/D=1.0時(shí)，兩者v的振動(dòng)仍然保持周期性特征、主振頻率都略微減小，但方柱振幅進(jìn)一步增加，壁面附近的擾動(dòng)程度增強(qiáng)，而近壁圓柱v振幅比之前減小.

總體上，隨著L/D增大，圓柱尾流處振幅先增強(qiáng)后減弱，主振頻率逐漸減?。欢街恼穹饾u增強(qiáng)，主振頻率也逐漸減小且主振頻率略微小于圓柱，這表明近壁單方柱繞流周期比單圓柱周期更長(zhǎng).

以上分析表明兩者具有周期性流動(dòng)特征，選取L/D=1.0工況具體分析兩者在1個(gè)流動(dòng)周期內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)的變化特點(diǎn).圖10為Re=300，L/D=1.0時(shí)1個(gè)流動(dòng)周期內(nèi)6個(gè)不同時(shí)刻的流場(chǎng)圖.

圖中黃色和藍(lán)色箭頭標(biāo)記分別表示上、下側(cè)分離剪切層產(chǎn)生的順時(shí)針正渦和逆時(shí)針負(fù)渦.可以看出，剛開始時(shí)，正渦初步形成，隨著不斷發(fā)展，其尺度不斷增大且逐漸向鈍體后側(cè)遠(yuǎn)處移動(dòng)，最終完全消失；與此同時(shí)，負(fù)渦也經(jīng)歷了由形成、發(fā)展至脫落的過(guò)程，在鈍體尾流處表現(xiàn)出正、負(fù)渦規(guī)律的交替脫落現(xiàn)象.這可以說(shuō)明由于鈍體尾流的周期性的渦脫運(yùn)動(dòng)，使壁面間的流動(dòng)不穩(wěn)定性增強(qiáng).

圖10 L/D=1.0時(shí)1個(gè)流動(dòng)周期內(nèi)不同瞬時(shí)的流線及速度

3 結(jié) 論

1) 近壁單圓柱與單方柱尾跡有著較為相似的渦激振動(dòng)特性.①L/D較小時(shí)，鈍體下側(cè)剪切層發(fā)展受到抑制，上側(cè)剪切層在遠(yuǎn)處形成大尺度順時(shí)針回流區(qū)域;② 隨著L/D增大，壁面的抑制作用逐漸減弱，鈍體后側(cè)近處由逆時(shí)針單渦逐漸演變成對(duì)稱的旋渦對(duì)，旋渦逐漸靠近鈍體，渦的尺度先增大后減小，遠(yuǎn)處順時(shí)針回流區(qū)域逐漸消失;③ 鈍體近壁面附近流體的加速效應(yīng)而先增強(qiáng)后減弱，且主振頻率逐漸減?。涣硗?，鈍體尾流表現(xiàn)出了周期性的渦脫運(yùn)動(dòng)，使其與壁面間的流動(dòng)不穩(wěn)定性得到增強(qiáng).

2) 近壁單方柱繞流與近壁單圓柱也存在差異.① 方柱的渦分離點(diǎn)固定，而圓柱沒(méi)有固定分離點(diǎn)，同一Re，相同L/D工況下方柱渦的尺度以及渦量強(qiáng)度比圓柱更大，方柱近壁面附近流速也更快；② 隨著L/D增大，近壁圓柱尾流處振幅先增強(qiáng)后減弱，方柱尾流處振幅逐漸增強(qiáng)且主振頻率略小，表明近壁單方柱繞流周期大于單圓柱.