鄭博文,邵傳平,張洪軍

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江杭州310018)

當(dāng)流體以一定速度流過(guò)鈍頭物體時(shí),會(huì)在物體尾部形成規(guī)則的旋渦脫落.旋渦脫落物使面兩側(cè)的壓力分布交替變化,從而產(chǎn)生作用于物體的交變載荷[1-4].這種交變載荷造成結(jié)構(gòu)的疲勞損傷,當(dāng)旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí),會(huì)產(chǎn)生共振[5],造成結(jié)構(gòu)的直接破壞.旋渦尾流還具有增大物體阻力[6]和產(chǎn)生噪聲[7]等不利影響.

多年來(lái),人們從理論和工程應(yīng)用角度對(duì)鈍體尾流進(jìn)行控制研究,發(fā)展出了不少控制方法[8].這些方法可分為兩類(lèi),一類(lèi)是主動(dòng)控制,需要外加能量驅(qū)動(dòng)控制裝置;另一類(lèi)是被動(dòng)控制,不需要外加能量.這些方法,有的用于控制圓柱等具有圓滑表面的鈍體尾流,占大部分;有的用于控制矩形柱等表面具有尖銳突起邊緣的鈍體尾流,占少部分.對(duì)于圓滑表面鈍體尾流,早期控制的基本思路是通過(guò)對(duì)邊界層的干擾,改變其分離,達(dá)到抑制旋渦脫落,減小阻力的目的,主要方法有:1)在圓柱表面設(shè)置粗糙元,促進(jìn)邊界層由層流轉(zhuǎn)捩成湍流,增強(qiáng)與層外流體的動(dòng)量交換,增加層內(nèi)流體抵抗逆壓梯度的能力,改變分離位置;2)在圓柱前方設(shè)置干擾物等,增大來(lái)流湍流度,促進(jìn)圓柱邊界層轉(zhuǎn)捩,推遲分離;3)將圓柱表面加熱,促進(jìn)邊界層內(nèi)外動(dòng)量交換,改變分離;4)用聲波對(duì)邊界層進(jìn)行干擾,促進(jìn)轉(zhuǎn)捩,推遲分離;5)對(duì)邊界層進(jìn)行吹氣或抽吸,控制分離,等等.對(duì)于有尖銳邊緣的鈍體,邊界層分離位置固定,上述推遲分離的方法不再有效.對(duì)于具有尖緣的情況,人們發(fā)展了幾種方法:1)在尖緣處設(shè)置旋轉(zhuǎn)小輪,在轉(zhuǎn)輪幫助下,使流體順利繞過(guò)尖緣,不發(fā)生分離;2)在尖緣后面設(shè)抽吸孔,在抽吸作用下,流體順利繞過(guò)尖緣,不發(fā)生分離,3)將尖緣消減為圓滑,改變分離,但這種方法會(huì)破壞原有鈍體結(jié)構(gòu)的形狀.有尖緣鈍體的分離控制,一般要用主動(dòng)控制方法,需要外加能源驅(qū)動(dòng),也會(huì)造成能源的損耗.

研究表明,即使不改變分離位置,也可以抑制旋渦脫落的產(chǎn)生.Roshko[6]和Bearman[9]分別在圓柱和方柱后面設(shè)置隔離板,有效地抑制了旋渦脫落.1966年,Gerrard[10]提出了旋渦脫落模型,指出鈍體兩側(cè)的分離剪切層的相互作用是旋渦脫落產(chǎn)生的原因,并認(rèn)為鈍體后隔離板的功能,就是防止兩側(cè)剪切層的相互影響,從而達(dá)到抑制旋渦脫落.Yu與Su[11]研究了矩形柱體近尾跡區(qū)域水平布置隔離板對(duì)作用在矩形柱體上的周期性交變力進(jìn)行抑制.Lee與Kim[12]研究了與水平地面之間一定間隙的矩形柱繞流,發(fā)現(xiàn)矩形柱體的寬厚比和間隙對(duì)尾流具有較大影響,基于Gerrard的旋渦生成模型,他們嘗試了在柱體尾流后面添加垂直或者水平板來(lái)減少兩剪切層的互相作用,達(dá)到抑制旋渦目的.Ali和Doolan[13]將一平板固結(jié)在一矩形柱后面,在低雷諾數(shù)和低馬赫數(shù)下研究平板對(duì)矩形柱體后噪聲強(qiáng)度的抑制.

但是,最近Shao和Wang[14],Shao和Wei[15]以及邵傳平等[16]的實(shí)驗(yàn)證據(jù)并不支持Gerrard的旋渦生成模型.他們研究了圓柱、方柱和矩形柱的控制問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)在柱體后面一定區(qū)域內(nèi)放置小控制件時(shí),柱體一側(cè)的分離剪切層被分散,旋渦脫落被抑制,而另一側(cè)旋渦脫落仍然存在,并且脫落頻率幾乎與未加控制時(shí)相同.這種單側(cè)旋渦脫落無(wú)法用Gerrard模型解釋.

1980年代以來(lái),Koch[17],Pirrehumbert[18],Monkewitz[19]等引入局部絕對(duì)不穩(wěn)定性概念,研究鈍體旋渦脫落現(xiàn)象.發(fā)現(xiàn)鈍體近尾流速度剖面是絕對(duì)不穩(wěn)定的,并認(rèn)為有一個(gè)足夠大的絕對(duì)不穩(wěn)定性區(qū)的存在,是旋渦脫落產(chǎn)生的原因.Hammond和Redkopp[20]在圓柱尾部噴射或吸入流體來(lái)消除絕對(duì)不穩(wěn)定性以抑制旋渦脫落.Strykowski和Sreenivasan[21]在主圓柱后面一定位置處放置一個(gè)很小的圓柱,在雷諾數(shù)小于150情況下,改變尾流穩(wěn)定特性,有效抑制了旋渦脫落.邵傳平[22]在圓柱體后面放置窄條形小控制件在較高雷諾數(shù)下抑制了圓柱后的旋渦脫落,并對(duì)未加控制和控制以后圓柱尾流速度剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析和對(duì)比,發(fā)現(xiàn)旋渦被抑制時(shí),絕對(duì)不穩(wěn)定性區(qū)很小,而未被抑制時(shí),絕對(duì)不穩(wěn)定性區(qū)較大.

除了將小控制件放于鈍體后面的方法外,還有將小控制件放于鈍體前面的方法,其原理是利用控制件尾跡對(duì)鈍體邊界層或分離剪切層進(jìn)行干擾,也有抑制旋渦脫落的效果.

薄矩形柱體繞流在橋梁、機(jī)翼、高層建筑等方面具有實(shí)際意義,但研究較少.邵傳平等[16]用薄窄條來(lái)控制矩形柱體尾流,在雷諾數(shù)和窄條相對(duì)寬度固定情況下,研究了不同寬厚比的矩形柱尾流的控制,得到的有效抑制柱體兩側(cè)旋渦脫落的控制件位置區(qū)域從柱體前方延伸到柱體后方.在本文中,我們將研究窄條相對(duì)寬度變化對(duì)旋渦脫落抑制效果的影響,同時(shí)研究雷諾數(shù)效應(yīng).

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)計(jì)量學(xué)院循環(huán)式風(fēng)洞中進(jìn)行.風(fēng)洞由風(fēng)機(jī)、擴(kuò)壓段、整流段、收縮段和實(shí)驗(yàn)段五個(gè)部分組成,其中實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)2 m,橫截面尺寸為600 mm×600 mm,能夠提供速度范圍0.5～30 m/s的均勻氣流,湍流度小于0.5%.薄矩形柱體和控制桿由不銹鋼制成,柱體長(zhǎng)60 cm,寬度為B,厚度為 H;控制桿長(zhǎng)60 cm,寬度為b,厚度為h.如圖1所示,矩形柱豎直(沿Z軸)跨過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)段,柱體軸線與風(fēng)洞試驗(yàn)段橫截面對(duì)稱線重合,柱體的寬表面與來(lái)流平行放置.控制桿位置可調(diào),其軸線與柱體軸線平行,其寬度b所在的表面與來(lái)流方向垂直放置.實(shí)驗(yàn)測(cè)量的工況如表1所示.

圖1 薄矩形柱體和控制件幾何位置分布圖Figure 1 Sketch of sizes and geometrical arrangements of the cylinder and control element

表1 熱線測(cè)量與流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)工況表Table 1 Varied conditions tested in the experiment

繞流流場(chǎng)用煙線方法進(jìn)行顯示.在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段橫截面半高位置垂直于來(lái)流方向橫置一條直徑為30 μ m的金屬絲,在金屬絲上均勻涂上甘油,絲兩端外連接一觸發(fā)電容,電容放電對(duì)絲進(jìn)行短時(shí)加熱.絲上的甘油受熱發(fā)煙,形成煙線.煙線流過(guò)柱體,形成流動(dòng)圖案.在風(fēng)洞玻璃壁外設(shè)置閃光燈,閃光與煙線發(fā)煙之間的延遲時(shí)間由單片機(jī)控制.閃光后照相機(jī)曝光,得到柱體繞流的流動(dòng)照片.關(guān)于煙線裝置的詳細(xì)情況見(jiàn)文獻(xiàn)[14].

薄矩形柱體尾流的脈動(dòng)速度在X方向的分量用DANT EC Streamline熱線風(fēng)速儀的55P14單絲探頭進(jìn)行測(cè)量.由于本實(shí)驗(yàn)中旋渦脫落的頻率高于7 Hz而低于50 Hz,故采樣頻率可選為500 Hz(超過(guò)渦脫落頻率10倍以上),采樣時(shí)間選為8.1 s(大于50個(gè)旋渦脫落周期).測(cè)量在展向(Z軸方向)中間截面進(jìn)行.選擇的測(cè)量剖面在柱體尾緣下游15 cm處,即X/B=2.0～3.0的位置.在測(cè)量剖面上,測(cè)點(diǎn)從Y/H=-4.0開(kāi)始,每隔Δ Y/H=0.4測(cè)量,一直測(cè)到Y(jié)/H=4.0位置.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 流動(dòng)顯示

實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù) Re=V∞H/ν=1.5×103,其中,V∞為來(lái)流速度,ν為空氣運(yùn)動(dòng)粘度.對(duì)矩形柱寬厚比B/H=2.0和3.0分別進(jìn)行顯示實(shí)驗(yàn),這里只給出B/H=3.0的結(jié)果.選擇兩種控制桿,第一種控制桿寬度b/H=0.4,厚度h/H=0.2,第二種控制桿b/H=h/H=0.2.控制桿位置變化區(qū)域?yàn)?X/B=-3.0～3.0,Y/H=0～4.0.

圖2是典型的結(jié)果.如圖2(a)所示,當(dāng)不加控制桿時(shí),旋渦脫落在柱后自然形成.圖2(b)～(d)是尺度為b/H=0.4,h/H=0.2的控制桿位置在X/B=-0.5截面上沿平行于Y軸的直線變化時(shí)的抑制情況.當(dāng)控制桿緊貼或很靠近矩形柱時(shí),如圖2(b),控制桿和矩形柱就像一個(gè)合成的單一物體一樣,旋渦脫落仍在后面產(chǎn)生,旋渦尺度與未加控制桿時(shí)相比明顯變大.隨著控制桿與柱面距離的增加,控制效果逐漸改善.當(dāng)控制桿距離柱體一定范圍之內(nèi),即Y/H=0.8～1.7時(shí),柱體兩側(cè)的旋渦脫落均被抑制(圖2(c)).

以往的研究[14-16]發(fā)現(xiàn),當(dāng)控制桿位于柱體后方一定位置的時(shí)候,會(huì)出現(xiàn)單側(cè)旋渦脫落現(xiàn)象,在本研究中也出現(xiàn)類(lèi)似的現(xiàn)象,如圖2(d),當(dāng)控制桿位置進(jìn)一步離開(kāi)柱體到達(dá)Y/H=1.75處時(shí),柱體尾流出現(xiàn)單側(cè)旋渦現(xiàn)象,下側(cè)的旋渦被抑制,而上側(cè)的旋渦脫落依然存在.

控制桿尺度換成b/H=h/H=0.2之后抑制效果也出現(xiàn)類(lèi)似的變化.當(dāng)控制桿跟柱體緊貼的時(shí)候如圖 2(e),柱體尾流旋渦脫落沒(méi)有受到抑制.圖2(f)至圖2(g)中,控制桿在X/B=0.0,Y/H=0.8～1.4這個(gè)有效區(qū)間內(nèi),柱體兩側(cè)的旋渦脫落被有效抑制.當(dāng)控制桿與柱體之間的間距較大時(shí),柱體兩側(cè)旋渦脫落現(xiàn)象恢復(fù),如圖2(h).此時(shí)控制桿自身后面也出現(xiàn)旋渦脫落.

圖2 柱體寬厚比B/H=3.0,Re=1.5×103時(shí),兩種控制桿抑制效果的流動(dòng)顯示Figure 2 Visualization of suppression effects of two control elements at B/H=3.0,Re=1.5×103

2.2 熱線測(cè)量

由流動(dòng)顯示結(jié)果可以推論,存在一個(gè)位置區(qū)域.當(dāng)控制桿位于該區(qū)域內(nèi)時(shí),柱體兩側(cè)的旋渦被抑制.為了準(zhǔn)確地找出這個(gè)區(qū)域,進(jìn)行了熱線測(cè)量,用脈動(dòng)速度譜判斷旋渦脫落是否被抑制.圖3是柱體寬厚比為B/H=2.0時(shí),在柱體尾流兩側(cè)不同位置得到的脈動(dòng)速度功率譜.圖3(a)～(d)是未加控制桿時(shí)的情況,每個(gè)譜上均有一個(gè)尖峰存在,而且尖峰所對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱頻率 f H/V∞=0.12.譜上尖峰說(shuō)明旋渦脫落在柱體兩側(cè)產(chǎn)生.當(dāng)寬度為b/H=0.2的控制桿放置在X/H=-1.6,Y/H=0.8時(shí),情況發(fā)生變化.如圖3(e)～(h),此時(shí)柱體尾流兩側(cè)測(cè)得的脈動(dòng)速度功率譜上均沒(méi)有尖峰存在,說(shuō)明柱體兩側(cè)旋渦脫落均被抑制.利用這種判斷方法,我們可以斷定控制桿位于某位置時(shí),兩側(cè)旋渦脫落是否被抑制,從而可以找出有效抑制的控制桿位置區(qū)域,我們稱該區(qū)域?yàn)橛行^(qū).

側(cè)旋渦脫落現(xiàn)象也可以由脈動(dòng)速度譜來(lái)反映.圖4是寬度b/H=0.2的控制桿位于尾流上側(cè)某點(diǎn)X/H=-0.8,Y/H=1.6時(shí),在尾流兩側(cè)測(cè)得的功率譜,如圖4(a),尾流下側(cè)的譜上,均存在尖峰,說(shuō)明下側(cè)有旋渦脫落.而在上側(cè),如圖4(b),測(cè)得的譜上均沒(méi)有尖峰,說(shuō)明上側(cè)的旋渦脫落被抑制,從而形成單側(cè)旋渦脫落.同樣,我們可以根據(jù)這種方法找出單側(cè)旋渦脫落發(fā)生的控制桿位置區(qū),我們稱該區(qū)為單側(cè)有效區(qū).以上對(duì)圖3和圖4的描述,可以用下面的表2和表3來(lái)簡(jiǎn)要表達(dá).

表2 未控制和控制以后,尾流脈動(dòng)速度譜的對(duì)比表Table 2 Comparison of power spectrum of fluctuating velocity between the wakes with and without control

表3 單側(cè)旋渦現(xiàn)象的熱線測(cè)量Table3 Hot-wire measurement of the phenomenon of unilateral vortex shedding

2.3 有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)及其影響因素

為了敘述方便,我們稱有效區(qū)為E,單側(cè)有效區(qū)為UE.測(cè)量的控制桿位置區(qū)域形成一個(gè)矩形網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)步長(zhǎng)為 ΔX/H=Δ Y/H=0.2,網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域,對(duì) B/H=2.0的柱體,為:-4.0≤X/H≤4.0,0.0≤Y/H≤4.0;對(duì)B/H=3.0的柱體,為:-6.4≤X/H≤6.4,0.0≤Y/H≤4.0.

2.3.1 控制桿尺度b/H對(duì)E和UE區(qū)的影響

圖5是柱體寬厚比為B/H=2.0時(shí),不同控制桿寬度下的有效區(qū)E和單側(cè)有效區(qū)UE.可以看到,在各種狀態(tài)下,UE區(qū)均包圍E區(qū).當(dāng)控制桿寬度由b/H=0.2增大到b/H=0.32時(shí),E區(qū)面積有明顯增大,而UE區(qū)面積無(wú)明顯變化.而當(dāng)控制桿寬度由b/H=0.32繼續(xù)增大到b/H=0.4時(shí),E區(qū)面積和UE區(qū)反而都減小.從E區(qū)和UE區(qū)的位置看,隨著控制桿寬度b/H的增大,E區(qū)和UE區(qū)的前端點(diǎn)均向下游退縮,而后端點(diǎn)位置變化不大;E區(qū)和UE區(qū)的橫向?qū)挾纫矝](méi)有明顯變化.

2.3.2 柱體寬厚比B/H對(duì)E區(qū)和UE區(qū)的影響

圖6(a)和(c)是柱體B/H=2.0時(shí)的E區(qū)和UE區(qū),圖6(b)和(d)是B/H=3.0時(shí)的 E區(qū)和UE區(qū).B/H由2.0增大到3.0時(shí),UE區(qū)面積成倍增大;E區(qū)由單一區(qū)域變?yōu)榍昂髢蓚€(gè)區(qū)域,其中一個(gè)區(qū)比B/H=2.0時(shí)大,另一個(gè)則較小.B/H=3.0時(shí),E區(qū)和UE區(qū)前端向上游擴(kuò)展很多,后端向下游也略有擴(kuò)展;UE區(qū)和較大的E區(qū)的橫向?qū)挾扰cB/H=2.0時(shí)相比也有所增大.

2.3.3 Re數(shù)的影響

圖7是雷諾數(shù)Re對(duì)E區(qū)和UE區(qū)的影響.在B/H=2.0,b/H=0.2情況下,隨著Re數(shù)的增大,E和UE區(qū)域都有所收縮,面積減小.B/H=3.0和b/H=0.32,0.4的情況,E和 UE區(qū)也都隨Re數(shù)的增大而減小.

圖5 不同控制桿尺度下薄矩形柱體的有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)Re=1.5×103,B/H=2.0Figure 5 Effective and unilateral effective zones at different scales of control element,Re=1.5×103,B/H=2.0

圖6 不同寬厚比下薄矩形柱體的有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)Re=1.5×103Figure 6 Effective and unilateral effective zones at different flakiness ratio Re=1.5×103

3 討 論

B/H=3.0時(shí),得到的有效區(qū)分為兩部分,是以前研究中未曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象.根據(jù)前人的研究[20],當(dāng)矩形寬厚比為B/H=2.0時(shí),剪切層從前緣分離后沒(méi)有再附著現(xiàn)象.而當(dāng)寬厚比B/H增大到3.0時(shí),分離剪切層再附著在柱體側(cè)表面上,在柱體側(cè)表面形成前后兩個(gè)旋渦,流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生較大變化[23]..本實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明(圖8)B/H=3.0時(shí)旋渦脫落的Strouhal數(shù)(St)≈0.18,比B/H=2.0時(shí)(圖 3)的St≈0.12有明顯增大.B/H=3.0時(shí),有效區(qū)分為前后兩個(gè)區(qū)域,可能就是剪切層再附著影響的結(jié)果.

圖7 不同雷諾數(shù)下薄矩形柱體的有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)B/H=2.0,b/H=0.2Figure 7 Effective and unilateral effective zones at different Reynolds numbers B/H=2.0,b/H=0.2

圖8 控制與未控制尾流脈動(dòng)速度功率譜的比較,B/H=3.0,Re=5.5×103,控制桿位于X/H=-4.8,Y/H=0.8Figure 8 Comparisons of power spectra of fluctuating velocities in wakes without element and with a strip element placed at X/H=-4.8,Y/H=0.8,B/H=3.0,Re=5.5×103

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用窄條形小控制桿方法對(duì)寬厚比為B/H=2.0和3.0的兩種矩形柱尾流的旋渦脫落進(jìn)行控制.實(shí)驗(yàn)在風(fēng)洞中進(jìn)行,采用煙線方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行流動(dòng)顯示,并采用熱線風(fēng)速儀對(duì)尾流脈動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量.實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)范圍為1.5×103～5.5×103.對(duì)寬度為b/H=0.2,0.32和0.4的三種控制桿分別進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:在矩形柱體附近存在一個(gè)有效區(qū),當(dāng)控制桿位于該區(qū)內(nèi)時(shí),柱體兩側(cè)的旋渦脫落被抑制.另外存在一個(gè)單側(cè)有效區(qū),當(dāng)控制桿位于該區(qū)內(nèi)時(shí),柱體后面出現(xiàn)單側(cè)旋渦脫落現(xiàn)象.研究了控制桿尺度的影響,發(fā)現(xiàn)控制桿尺度b/H增大時(shí),有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)不是擴(kuò)大,而是有所縮小,這與以往的結(jié)論不同.本文還研究了矩形柱寬厚比B/H和雷諾數(shù)Re的影響.發(fā)現(xiàn)隨著雷諾數(shù)的增大,有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)稍有縮小.還發(fā)現(xiàn)當(dāng)矩形柱厚度不變,寬度增大,即B/H增大時(shí),有效區(qū)和單側(cè)有效區(qū)擴(kuò)大,而且有效區(qū)由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè);同時(shí)對(duì)這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行了探討.

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