馬洪余,戴德君,喬方利,蔣暑民

波浪水槽中振動(dòng)格柵湍流特征的實(shí)驗(yàn)研究

馬洪余1,2,3,戴德君2,3*,喬方利2,3,蔣暑民2,3

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院,山東 青島266100;2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061;3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東 青島266061)

在波浪水槽中采用格柵振動(dòng)的方式產(chǎn)生湍流,研究振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流的特征。本文開(kāi)展了4類實(shí)驗(yàn),調(diào)節(jié)測(cè)量點(diǎn)到格柵平均位置的距離、格柵振動(dòng)頻率、振動(dòng)沖程,采用ADV測(cè)量水體中單點(diǎn)的脈動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,湍流強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨離格柵距離的增大而逐漸減小,隨著振動(dòng)頻率的增大而呈冪指數(shù)增大,隨著振動(dòng)沖程的增大而呈冪指數(shù)增大。同時(shí)還比較了兩個(gè)不同格柵產(chǎn)生湍流的不同。結(jié)果顯示,在波浪水槽中,振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流的強(qiáng)度還與格柵的長(zhǎng)度尺寸有關(guān),這與在水箱中振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流的特征不同。

波浪水槽;振動(dòng)格柵;湍流

1 引言

湍流是海洋中的重要物理過(guò)程,它對(duì)大洋環(huán)流,海氣之間的動(dòng)量、熱量和物質(zhì)交換以及生物過(guò)程等都有重要影響。在真實(shí)的海洋中湍流總是由流剪切、波浪破碎、對(duì)流等過(guò)程產(chǎn)生,湍流過(guò)程比較復(fù)雜,并與其他物理過(guò)程共同存在,對(duì)湍流很難有比較清楚的認(rèn)識(shí)。為了對(duì)湍流特征能夠有比較清楚的了解,已開(kāi)展大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),在水箱中用振動(dòng)格柵、射流泵產(chǎn)生均勻各向同性湍流,研究湍流特征,進(jìn)而研究湍流與泥沙運(yùn)動(dòng)的相互作用[1]、湍流對(duì)氣泡分布規(guī)律的影響、污染物擴(kuò)散等問(wèn)題。

自從1939年Rouse[1]第一次采用振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流研究泥沙懸浮以來(lái),Rouse和Dodu[2]也采用振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流的方式研究?jī)蓪恿黧w的湍流混合,繼而圍繞著振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流開(kāi)展了大量的研究工作,并且更多生成湍流的方式也被相繼提出。在實(shí)驗(yàn)室水箱中產(chǎn)生湍流的方法主要有兩種:一種是單一平面能量源產(chǎn)生湍流[3-7],例如,振動(dòng)格柵和隨機(jī)射流陣,可產(chǎn)生二維均勻、各向同性湍流,但由于垂直方向湍流的衰減,無(wú)法產(chǎn)生三維的、均勻且各向同性湍流[8];另一種對(duì)稱能量源產(chǎn)生湍流[9-17],例如,對(duì)稱射流陣組成的對(duì)稱系統(tǒng),對(duì)稱振動(dòng)格柵,圍繞對(duì)稱中心區(qū)域在水箱的8個(gè)角落安裝噴嘴等,在對(duì)稱區(qū)域(中心區(qū)域或者平面)產(chǎn)生均勻、各向同性湍流,且平均流較小,其缺點(diǎn)是質(zhì)量最好的湍流位于中心區(qū)域,此湍流不能用來(lái)研究邊界處的湍流特征。在實(shí)驗(yàn)室水箱中產(chǎn)生湍流的優(yōu)點(diǎn)是,可以重復(fù)產(chǎn)生穩(wěn)定的、同一強(qiáng)度的、均勻的、近似各向同性湍流。

在水箱中,由單一平面能量源產(chǎn)生湍流,在與平面能量源平行的二維平面上湍流是均勻且各向同性的,而在垂直于平面的方向上wrms/urms＞1,其中wrms和urms分別是垂直和水平流速分量的均方根,不均勻也不具有各向同性特征,且在垂直于平面的方向上湍流是逐漸衰減的。已有研究指出[4,6,18],振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流wrms/urms∈[1.1,1.4]。Variano和Cowen[7]研究發(fā)現(xiàn)由射流陣產(chǎn)生湍流,wrms/urms=1.27。而由對(duì)稱系統(tǒng)可以在中心區(qū)域產(chǎn)生三維均勻、各向同性湍流[19-22]。

振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流,湍流強(qiáng)度u'與格柵沖程S、振動(dòng)頻率f、到格柵平均位置的距離z和網(wǎng)孔大小M有關(guān)系。其關(guān)系式為u'=C1S3/2M1/2f z-1,其中C1有不同的取值,C1≈0.25[4],C1≈0.22[6]。水體自由表面對(duì)湍流有影響,影響區(qū)域從z=-15 c m開(kāi)始直至水體自由表面[23],在評(píng)價(jià)湍流強(qiáng)度時(shí),上述關(guān)系式在此區(qū)域不適應(yīng)。

平均流的存在,對(duì)水體混合和輸運(yùn)有顯著影響,然而在水箱中由振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流時(shí),平均流的產(chǎn)生是不可避免的[7],且以下幾個(gè)因素更有助于平均流的增強(qiáng):格柵條占整個(gè)格柵面積大于40%[24],網(wǎng)格邊界的不對(duì)稱性[25-26],大的振動(dòng)沖程[27],振動(dòng)頻率大于7 Hz[18,21],因此,要獲得平均流較小的湍流,需要調(diào)節(jié)振動(dòng)格柵的各個(gè)參數(shù)。為比較不同方式產(chǎn)生湍流時(shí)平均流的強(qiáng)度,定義=/urms,衡量平均流的大小,其中表示速度分量u的時(shí)間平均。Variano等[19]研究結(jié)果指出,振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流的典型情況0.25,最好的情況0.1,最差的情況＞1。Variano和Cowen[7]的研究由射流陣產(chǎn)生湍流,給出0.07。而對(duì)稱系統(tǒng)比單一振動(dòng)格柵產(chǎn)生的平均流要小,Hwang和Eaton[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為=0.02。

已有研究,在水槽中產(chǎn)生湍流的工作很少,王得祥等[28]在水槽中利用振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流,但其振動(dòng)格柵安裝在水槽一端,通過(guò)振動(dòng)裝置,使得格柵往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生湍流,研究了湍流強(qiáng)度與格柵振動(dòng)頻率的關(guān)系,以及湍流強(qiáng)度與到格柵平面距離的關(guān)系,對(duì)湍流的均勻性和平均流等特征沒(méi)有過(guò)多的研究。

綜上所述,湍流的產(chǎn)生和特征研究多數(shù)是在水箱中開(kāi)展,而在水槽中產(chǎn)生湍流并研究其特征的工作較少。波-湍相互作用已有大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究工作,然而,在已有的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工作中,波浪由造波系統(tǒng)生成,而湍流卻沒(méi)有很好的辦法產(chǎn)生。Thais和Magnaudet[29]是用吹風(fēng)的方式產(chǎn)生湍流,這樣卻很難認(rèn)識(shí)背景湍流場(chǎng)的強(qiáng)度。因此,采用合適的方法在水槽中產(chǎn)生背景湍流,研究湍流的特征,是很有必要的。本文將振動(dòng)格柵架設(shè)于波浪水槽上方,通過(guò)格柵的上下振動(dòng)產(chǎn)生湍流,研究不同格柵振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度以及格柵長(zhǎng)度下湍流的特征,為后續(xù)波-湍相互作用研究奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

國(guó)家海洋局第一海洋研究所風(fēng)-浪-流多功能實(shí)驗(yàn)水槽于2012年建成并投入使用,其長(zhǎng)45 m,寬1 m,高1.8 m,最大水深1.2 m,本實(shí)驗(yàn)在此水槽中開(kāi)展。在水槽的中間位置選擇一段為實(shí)驗(yàn)段,將振動(dòng)格柵的變頻電機(jī)架設(shè)于獨(dú)立于水槽的支架之上,格柵通過(guò)連接桿與電機(jī)的偏心輪連接,格柵則浸入到水體中,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn),既而帶動(dòng)格柵上下振動(dòng),如圖1所示。這種架裝方式有效地把格柵與水槽分開(kāi),可以防止電機(jī)振動(dòng)通過(guò)邊壁傳遞到水槽的水體中,進(jìn)而消除對(duì)格柵振動(dòng)產(chǎn)生湍流的影響。格柵沿水槽方向的邊緣距離水槽邊壁為4 c m,而垂直于水槽方向的格柵邊緣是開(kāi)闊的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水槽水深為1.2 m,格柵平均位置水深為47 c m。

格柵為長(zhǎng)方形,由不銹鋼板打孔構(gòu)造而成,孔的邊長(zhǎng)為5 c m×5 c m,孔與孔的中心距離為6 c m,格柵條的寬度為1 c m,不銹鋼板的厚度為3 mm,邊長(zhǎng)為91 c m×295 c m,格柵條的面積與格柵總面積之比約為31.6%,即小于40%,滿足產(chǎn)生穩(wěn)定均勻湍流的條件[24]。格柵振動(dòng)時(shí),在格柵的背面會(huì)產(chǎn)生射流和尾跡流,這些射流和尾跡流向外延展,相互合并,但不偏離它們的軸線,逐漸失去平均動(dòng)量,在離格柵一定的距離之后形成均勻的湍流。當(dāng)此數(shù)值大于40%時(shí),格柵振動(dòng)產(chǎn)生的射流會(huì)偏移并且與其他射流合并形成更強(qiáng)的射流,從而形成平均流,影響產(chǎn)生湍流的質(zhì)量。振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流的強(qiáng)度與振動(dòng)頻率和格柵沖程有關(guān),本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)調(diào)節(jié)振動(dòng)格柵的頻率,設(shè)定振動(dòng)頻率為1 Hz、2 Hz和3 Hz,小于7 Hz[18],通過(guò)調(diào)節(jié)偏心輪來(lái)調(diào)節(jié)格柵振動(dòng)的幅度,設(shè)定振動(dòng)沖程為3 c m、5 c m和7 c m。格柵上下運(yùn)動(dòng)時(shí),在距格柵平均位置大于2～3倍格柵孔徑的距離處[30],形成近似各向同性湍流。

圖1 振動(dòng)格柵和實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖Fig.1 The diagram of the oscillating grid and laboratory setup

利用聲學(xué)多普勒流速儀ADV(Nortek小威龍一代)測(cè)量水體的脈動(dòng)速度,獲得單點(diǎn)的三維流速(u,v,w),其中u表示沿水槽方向的水平流速,v表示垂直于u方向的水平流速,而w表示垂向流速,其最高采樣頻率為200 Hz,在本實(shí)驗(yàn)中采用128 Hz進(jìn)行采樣,測(cè)量精度為(測(cè)量值的±0.5%)±1 mm/s。測(cè)量點(diǎn)為一圓柱體,直徑為6 mm,高度為3～15 mm。測(cè)量點(diǎn)位于格柵平面的中心位置,通過(guò)調(diào)節(jié)ADV探頭的深度獲得湍流的垂直剖面速度。

ADV在獲得單點(diǎn)的速度場(chǎng)時(shí),同時(shí)也獲得反向散射的聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度和連續(xù)pings的相關(guān)性[31],這兩個(gè)參數(shù)用來(lái)診斷ADV的數(shù)據(jù)質(zhì)量。信號(hào)強(qiáng)度依賴于散射體的密度[32],散射體較少時(shí),反向散射信號(hào)強(qiáng)度較弱,速度信號(hào)不可靠。在采樣體積內(nèi),流體速度有擾動(dòng)或者有剪切[33],或者在相鄰pings時(shí)散射體離開(kāi)采樣體積時(shí)[34],相關(guān)性較低;在水體中含有大量氣泡[35]和采樣體積接近海底時(shí)(一個(gè)采樣體體積的寬度)[36-37]同樣導(dǎo)致相關(guān)性較低,低相關(guān)性導(dǎo)致不精確的速度測(cè)量[31]。因而在處理ADV數(shù)據(jù)時(shí)需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,主要有3種方法:方法1,用ADV的速度值去除野點(diǎn)(比標(biāo)準(zhǔn)差大一定倍數(shù),加速度超過(guò)閾值);方法2,相空間質(zhì)量控制方法[38-39];方法3,信號(hào)強(qiáng)度和相關(guān)系數(shù)方法。在處理本實(shí)驗(yàn)由ADV獲得的數(shù)據(jù)時(shí),需要先對(duì)數(shù)據(jù)做質(zhì)量控制,在本文中采用方法1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后再對(duì)數(shù)據(jù)做相應(yīng)的分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用ADV獲得單點(diǎn)三維流速場(chǎng)(u,v,w),以水平速度分量u(x,t)為例,將其分解為時(shí)間平均速度u(x)與脈動(dòng)速度u'(x,t),并以速度的均方根大小評(píng)價(jià)湍流的強(qiáng)度[7],

同時(shí)研究湍流強(qiáng)度隨深度的變化關(guān)系,以及與格柵振動(dòng)頻率、格柵沖程的關(guān)系,湍流的均勻性、各向同性特征及平均流大小等。

本文共開(kāi)展了4類實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)1,湍流強(qiáng)度隨深度變化實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)2,湍流強(qiáng)度隨振動(dòng)頻率變化實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)3,湍流強(qiáng)度隨沖程變化實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)4,兩個(gè)格柵的比較實(shí)驗(yàn),如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)及參數(shù)設(shè)置Tab.1 Experimental design

3.1 實(shí)驗(yàn)1湍流強(qiáng)度隨深度變化實(shí)驗(yàn)

格柵上下振動(dòng)產(chǎn)生湍流,格柵沖程為5 c m,振動(dòng)頻率為3 Hz,連續(xù)向上移動(dòng)ADV,每次移動(dòng)4 c m,共計(jì)獲得5個(gè)不同深度位置,在分析湍流強(qiáng)度隨深度變化的規(guī)律之前,先分析湍流的均勻性和平均流等特征。

格柵在水平面以下平均水深為47 c m的位置上下振動(dòng)產(chǎn)生湍流,隨著到格柵距離的增加,湍流強(qiáng)度逐漸減弱。從湍流速度3分量的功率譜可以清晰的看出湍流的均勻性和湍流強(qiáng)度。圖2給出了湍流速度3個(gè)分量的功率譜,從譜上可以清晰的看到,水平方向兩分量u和v的功率譜線基本重合,即在水平方向上湍流強(qiáng)度一致,湍流均勻;而垂直分量w的功率譜線顯著低于水平方向u和v的功率譜線,即垂向的湍流強(qiáng)度比水平方向的湍流強(qiáng)度弱,這與在水箱中格柵振動(dòng)產(chǎn)生湍流的特征wrms/vrms＞1是不一致的。而在w分量的功率譜上還有一個(gè)顯著的特征,即在3 Hz處有一個(gè)鋒值,此表示水體有一3 Hz的垂向運(yùn)動(dòng),此即是格柵的上下振動(dòng),此特征與?l mez和Milgram[40]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

格柵振動(dòng)產(chǎn)生湍流,不可避免的產(chǎn)生平均流,用10 min速度場(chǎng)的平均作為平均值,用U/urms衡量平均流的大小,得出U/urms≈0.18,與Variano等[19]的研究結(jié)果接近。

分析湍流強(qiáng)度隨深度變化的規(guī)律,由圖3a可知,湍流強(qiáng)度隨著到格柵距離的增大,先減小,這符合格柵振動(dòng)產(chǎn)生湍流的規(guī)律,然后再增大,這不符合格柵振動(dòng)產(chǎn)生湍流的特征。分析其原因是,在波浪水槽中,格柵振動(dòng)產(chǎn)生湍流的區(qū)域沿水槽方向是敞開(kāi)的,從而導(dǎo)致湍流在水平方向上傳遞,且傳遞到格柵振動(dòng)區(qū)域以外的水體中,在垂直方向傳遞減小,進(jìn)而導(dǎo)致在垂直方向遠(yuǎn)離格柵的位置處湍流的特征變差,反而增多了一些大尺度的平均流動(dòng),再用簡(jiǎn)單的時(shí)間平均方法去掉平均值得到湍流時(shí),已不能準(zhǔn)確的分離出湍流脈動(dòng)速度,導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增大。

在計(jì)算湍流強(qiáng)度時(shí),需要減去一個(gè)平均值,圖3a所示結(jié)果是減去10 min速度場(chǎng)的平均值,從結(jié)果可以看出,10 min速度的平均值,不能很好地代表流體的平均運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樵?0 min的速度中,包括了低頻的流體運(yùn)動(dòng),用簡(jiǎn)單的時(shí)間平均,不能很好地去掉這種低頻的平均運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致計(jì)算湍流強(qiáng)度的增大。本文試圖對(duì)上述相同的速度分量u采用滑動(dòng)平均的方法,將這種低頻的平均運(yùn)動(dòng)濾掉之后再計(jì)算湍流強(qiáng)度,滑動(dòng)窗口的大小取為128×10+1(1 281),約10 s,結(jié)果如圖3b所示。

圖2 湍流速度3分量的功率譜Fig.2 The power spectra of turbulent velocity three components

圖3 實(shí)驗(yàn)1中湍流強(qiáng)度隨深度變化規(guī)律,其中u的平均值由時(shí)間平均(a)和滑動(dòng)平均(b)獲得Fig.3 The turbulence strength changes with depth,where the mean value of u is computed through ti me average(a)and s mooth average(b)respectively in experi ment 1

由圖3b可知,在采用滑動(dòng)平均方法去掉平均值以后,湍流強(qiáng)度隨著到格柵距離的增大而減小,即從深度32.2 c m,到28.2 c m,再到24.2 c m,湍流強(qiáng)度逐漸減小,且符合冪指數(shù)為負(fù)數(shù)的冪函數(shù)衰減規(guī)律,其冪函數(shù)擬合曲線為:urms=3.75(47-D)-0.53,其中D表示測(cè)量點(diǎn)深度,與圖3a所示結(jié)果不同。在圖3a中,湍流從深度32.2 c m到28.2 c m是減小的,但是到24.2 c m湍流強(qiáng)度沒(méi)有變化,可見(jiàn)低頻運(yùn)動(dòng)對(duì)湍流強(qiáng)度的評(píng)價(jià)有影響,且隨著到格柵距離的增大,這種低頻的流動(dòng)會(huì)更顯著,所以在20.2 c m和16.2 c m的深度上,即便采用滑動(dòng)平均的方法,湍動(dòng)強(qiáng)度依然沒(méi)有衰減,而是增大。

3.2 實(shí)驗(yàn)2湍流強(qiáng)度隨振動(dòng)頻率變化實(shí)驗(yàn)

在不同深度,隨著格柵振動(dòng)頻率增加湍流強(qiáng)度有相似的變化規(guī)律,因此可以任意選取一深度處ADV測(cè)量值,分析湍流強(qiáng)度隨頻率的變化特征,這里選擇水深為28.2 c m,格柵沖程為5 c m,振動(dòng)頻率分別設(shè)置為1 Hz、2 Hz、3 Hz,以水平速度分量u為例,分析湍流強(qiáng)度隨頻率的變化規(guī)律,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,湍流強(qiáng)度隨格柵振動(dòng)頻率的增大而增大,但與振動(dòng)頻率并不是線性增大關(guān)系,而是以冪次小于1的冪函數(shù)增大,其冪函數(shù)擬合曲線為:urms=0.48f0.71。格柵振動(dòng)頻率增大,格柵向水體提供更多的能量,自然產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng),但隨頻率增大的關(guān)系卻不同。此實(shí)驗(yàn)是在兩端敞開(kāi)的水槽中產(chǎn)生湍流,其湍流強(qiáng)度隨頻率的變化特征是以冪次小于1的冪函數(shù)增大,而在水箱中湍流強(qiáng)度隨頻率線性增大[4],分析其原因是,在水槽中,沿水槽方向格柵兩端是敞開(kāi)的,湍流向格柵影響之外的區(qū)域擴(kuò)散,而在水箱中則不會(huì),從而導(dǎo)致與水箱中的湍流特征略有不同。

圖4 實(shí)驗(yàn)2湍流強(qiáng)度隨格柵振動(dòng)頻率的變化規(guī)律Fig.4 The variation of turbulence strength with frequency in experiment 2

3.3 實(shí)驗(yàn)3湍流強(qiáng)度隨格柵沖程變化實(shí)驗(yàn)

ADV測(cè)量點(diǎn)到格柵平均位置的距離為18.5 c m,即水深28.5 c m,格柵振動(dòng)頻率設(shè)為2 Hz,格柵振動(dòng)沖程為3 c m、5 c m和7 c m,分析湍流強(qiáng)度urms隨格柵振動(dòng)沖程S的變化規(guī)律,結(jié)果如圖5所示。

格柵沖程是格柵上下振動(dòng)時(shí)其最高位置與最低位置之間的距離,在一個(gè)周期內(nèi)完成兩個(gè)沖程過(guò)程。從圖5可以看出,隨著格柵沖程的增大,湍流逐漸增強(qiáng),且不是線性增強(qiáng),而是以冪次大于1的冪函數(shù)增強(qiáng),其冪函數(shù)擬合曲線為:urms=(0.125S)2.6+0.63,這與在水箱中格柵產(chǎn)生湍流的特征相似?？梢?jiàn)改變格柵沖程,可以有效地改變格柵振動(dòng)產(chǎn)生湍流的強(qiáng)度。

圖5 實(shí)驗(yàn)3湍流強(qiáng)度隨格柵振動(dòng)沖程的變化規(guī)律Fig.5 The variation of turbulence strength with strokes in experiment 3

3.4 實(shí)驗(yàn)4兩個(gè)格柵的比較實(shí)驗(yàn)

構(gòu)造兩個(gè)格柵,一個(gè)是前文所述長(zhǎng)方形格柵;另一個(gè)是正方形格柵。正方形格柵由相互垂直的格柵條構(gòu)成,格柵條的截面尺寸為1 c m×1.5 c m,格柵邊長(zhǎng)為91 c m×91 c m,厚度為1.5 c m,格柵孔為邊長(zhǎng)5 c m×5 c m的正方形,相鄰格柵孔中心的距離為6 c m,格柵條面積與總格柵面積之比為32.1%,小于40%。兩個(gè)格柵的相同點(diǎn)是,格柵的孔徑都為5 c m×5 c m的正方形,格柵條的寬度為1 c m,即相鄰兩個(gè)孔中心的距離為6 c m。不同點(diǎn)是,長(zhǎng)方形格柵的一個(gè)邊較長(zhǎng)是295 c m,此格柵振動(dòng)時(shí),會(huì)擾動(dòng)更多水體;長(zhǎng)方形格柵由不銹鋼板打孔而成,由于只是一塊薄板,其強(qiáng)度不夠,容易彎曲、變形,故在不銹鋼板的背面加有支柱,而正方形格柵是由厚度為1.5 c m的格柵條構(gòu)成;格柵條與整個(gè)格柵的面積比,兩個(gè)格柵略有不同。

測(cè)量點(diǎn)到兩個(gè)格柵的平均位置都為18.5 c m,兩個(gè)格柵的沖程為5 c m,調(diào)節(jié)格柵振動(dòng)的頻率1 Hz、2 Hz、3 Hz,比較兩個(gè)格柵產(chǎn)生湍流的強(qiáng)度。

在水箱中,由格柵振動(dòng)產(chǎn)生湍流,其湍流強(qiáng)度與到格柵平均位置的距離、格柵振動(dòng)頻率、格柵振動(dòng)沖程、孔心距這4個(gè)量有關(guān),如果這4個(gè)量相同,湍流強(qiáng)度至多相差一個(gè)常數(shù)倍[4,6]。在此比較實(shí)驗(yàn)中,這4個(gè)量都相同,然而產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度卻不同,如圖6所示,在振動(dòng)頻率為3 Hz時(shí),正方形格柵產(chǎn)生湍流的強(qiáng)度大于長(zhǎng)方形的2倍,并且它們隨振動(dòng)頻率的變化趨勢(shì)也不同,長(zhǎng)方形格柵湍流強(qiáng)度隨格柵振動(dòng)頻率增加的比較緩慢,而正方形格柵湍流強(qiáng)度隨振動(dòng)頻率增加的比較迅速。

圖6 實(shí)驗(yàn)4兩不同格柵(長(zhǎng)方形格柵(○)和正方形格柵(□))湍流強(qiáng)度隨格柵振動(dòng)頻率的變化規(guī)律Fig.6 The variation of the turbulence strength with frequency of t wo grids:the rectangle grid(○)and the square grid(□)in experi ment 4

圖7 顯示了兩個(gè)格柵振動(dòng)頻率為3 Hz時(shí),分別獲得的10 min水平速度分量u的時(shí)間序列。從圖7可以看出,正方形格柵振動(dòng)時(shí),u變化比較劇烈,主要表現(xiàn)在低頻的大幅度振動(dòng),主要原因是正方形格柵在沿水槽方向只有91 c m,且在此方向上兩端是敞開(kāi)的,水體比較容易進(jìn)出格柵振動(dòng)影響的區(qū)域,從而產(chǎn)生低頻的大振幅流動(dòng),湍流強(qiáng)度較大;而長(zhǎng)方形格柵的u,低頻振動(dòng)的振幅較小,在±4 c m/s之間,顯然湍流強(qiáng)度較小,其原因是,長(zhǎng)方形格柵沿水槽方向有295 c m,格柵影響的區(qū)域較長(zhǎng),我們的測(cè)量點(diǎn)位于格柵的中心位置,不易產(chǎn)生低頻的大振幅流動(dòng)。分別選取3 s的水平速度分量u,仔細(xì)比較其高頻振動(dòng),發(fā)現(xiàn)正方形格柵u的振幅為0.16 c m/s比長(zhǎng)方形格柵的0.28 c m/s要小。

圖7 兩不同格柵(長(zhǎng)方形格柵(a)和正方形格柵(b))沖程為5 c m、頻率為3 Hz時(shí),速度分量u的時(shí)間序列Fig.7 The series of velocity co mponent u changes with ti me when t wo different grids(a indicates the rectangle grid and b indicates the square grid)vibrate with 5 c m strokes and 3 Hz frequency

而在振動(dòng)頻率為1 Hz時(shí),正方形格柵的湍流強(qiáng)度要比長(zhǎng)方形格柵湍流強(qiáng)度小,原因是,在振動(dòng)頻率為1 Hz時(shí),兩個(gè)格柵的低頻振動(dòng)幅度都很小,而長(zhǎng)方形格柵的高頻振動(dòng)的幅度要比正方形的大,所以長(zhǎng)方形格柵的湍流強(qiáng)度要大。

在波浪水槽中,由于兩端是敞開(kāi)的,格柵振動(dòng)產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度,不僅與格柵沖程、頻率、孔心距有關(guān),還與格柵的長(zhǎng)度有關(guān),這與在水箱中由格柵振動(dòng)產(chǎn)生的湍流不同。

4 結(jié)論

在水箱中利用振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流,此方面已有大量的研究工作。本文是在波浪水槽中,利用振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流,其與在水箱中的最大不同在于,波浪水槽沿水槽方向是敞開(kāi)的,進(jìn)而使得振動(dòng)格柵產(chǎn)生湍流具有自己的特征。

本文主要開(kāi)展了4類實(shí)驗(yàn),由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,湍流強(qiáng)度隨著到格柵平均位置距離的增加逐漸衰減,但在更遠(yuǎn)的距離時(shí),湍流強(qiáng)度又增加,這主要是由于低頻大幅度流動(dòng)引起的;格柵產(chǎn)生湍流強(qiáng)度隨著振動(dòng)頻率的增加而增加,增加不是以線性關(guān)系增加,而是以冪指數(shù)小于1的冪函數(shù)增加;隨格柵沖程的增大,產(chǎn)生湍流強(qiáng)度以冪指數(shù)大于1的冪函數(shù)增加;構(gòu)造了兩個(gè)格柵,一個(gè)是長(zhǎng)方形格柵,一個(gè)是正方形格柵,在格柵沖程、孔心距以及測(cè)量點(diǎn)到格柵平均位置的距離都相同的條件下,調(diào)節(jié)格柵振動(dòng)的頻率為1 Hz、2 Hz和3 Hz,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)方形格柵湍流強(qiáng)度隨格柵振動(dòng)頻率增加的比較緩慢,而正方形格柵湍流強(qiáng)度隨振動(dòng)頻率增加的比較迅速,并且在振動(dòng)頻率為1 Hz時(shí),長(zhǎng)方形格柵產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度大,而在振動(dòng)頻率為3 Hz時(shí),正方形格柵產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度大,分析其原因?yàn)?格柵的長(zhǎng)度不一樣,進(jìn)而在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的低頻大幅度流動(dòng)不一致,從而導(dǎo)致在計(jì)算湍流強(qiáng)度時(shí),得到的湍流強(qiáng)度有差別。

總之,在波浪水槽中由振動(dòng)格柵可產(chǎn)生水平方向近乎均勻、垂直方向湍流強(qiáng)度逐漸衰減、平均流較小的湍流,且可以通過(guò)調(diào)節(jié)格柵振動(dòng)頻率、振動(dòng)沖程和改變格柵長(zhǎng)度調(diào)節(jié)湍流強(qiáng)度大小,為開(kāi)展后續(xù)的波-湍相互作用實(shí)驗(yàn),湍流對(duì)氣體交換影響實(shí)驗(yàn),提供可控的背景湍流。

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An experi mental study on characteristics of turbulence generated by oscillating grids in a wave tank

Ma Hongyu1,2,3,Dai Dejun2,3,Qiao Fangli2,3,Jiang Shu min2,3

(1.College of Oceanic and At mospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Key Laborotr y of Marine Science and Nu merical Modeling,State Oceanic Ad ministr ation,Qingdao 266061,China;3.The First Institute of Oceanography,State Oceanic Ad ministration,Qingdao 266061,China)

In this paper,we study the characteristics of turbulence generated by oscillating grids in a wave tank.Four experi ments are carried out.High-frequency velocity fluctuations with different depths of measurement points,vibration frequency,vibration stroke were recorded by an acoustic Doppler veloci meter(ADV).The experi ments results show that,the turbulence strength becomes weak with increasing the distance from measurement points to grid position,becomes strong withincreasing vibration frequency and vibration stokerespectively as power f unction.At the meanti me,the turbulence strength of t wo different grids was co mpared.Fro m the results we know that the length of grid has great influence on turbulence strength,this is different fromthe turbulence characteristic in a water box.

wave tank;oscillating grid;turbulence

P731.26

A

0253-4193(2017)12-0012-08

馬洪余,戴德君,喬方利,等.波浪水槽中振動(dòng)格柵湍流特征的實(shí)驗(yàn)研究[J].海洋學(xué)報(bào),2017,39(12):12-19,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.002

Ma Hongyu,Dai Dejun,Qiao Fangli,et al.An experimental study on characteristics of turbulence generated by oscillating grids in a wave tank[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):12-19,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.002

2017-01-03;

2017-04-11。

海洋上層混合過(guò)程參數(shù)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(2016YFC1401403);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276035,40876015);國(guó)際合作項(xiàng)目“海洋動(dòng)力系統(tǒng)和多運(yùn)動(dòng)形態(tài)相互作用”(GASI-IPOVAI-05)。

馬洪余(1981—),男,山東省棗莊市人,助理研究員,博士,主要從事湍流混合與數(shù)值模式參數(shù)化研究。E-mail:mahy@fio.org.cn

*通信作者:戴德君(1973—),男,山東省棗莊市人,研究員,博士,主要從事內(nèi)波混合研究。E-mail:djdai@fio.org.cn