尹廣洲，鄧勇，周磊，謝緯安，喜冠南*

(1. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019； 2. 南通職業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007)

近壁圓柱繞流不僅是重要的理論基礎(chǔ)研究，在實(shí)際工程中也具有廣泛應(yīng)用.例如在海底管道鋪設(shè)中，通過(guò)設(shè)置管道之間以及管道與海底面的距離，來(lái)減小海水對(duì)管道的破壞[1].在核反應(yīng)堆冷卻中，通過(guò)布置核反應(yīng)棒位置以加快熱轉(zhuǎn)換；以及在換熱器的設(shè)計(jì)中，通過(guò)改變圓柱的插入角度來(lái)提高翅片的換熱效率等[2].為了解決這些問(wèn)題，對(duì)近壁圓柱繞流結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義.

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)近壁圓柱繞流展開(kāi)了許多研究.近壁單圓柱方面，1987年，BEARMAN等[3]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，近壁單圓柱繞流尾跡主要受雷諾數(shù)和間隙比的影響.LEI等[4]在湍流狀態(tài)下進(jìn)一步對(duì)近壁單圓柱繞流進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著間隙比的變化，圓柱尾跡會(huì)出現(xiàn)3種流動(dòng)模式，且不同流動(dòng)模式出現(xiàn)的臨界值主要取決于壁面邊界層[5]厚度.許慧等[6]、王麗娟等[7]分別對(duì)近壁單圓柱進(jìn)行了模擬研究，分析了圓柱對(duì)壁面強(qiáng)化傳熱的影響.過(guò)渡流狀態(tài)下，周磊等[8]試驗(yàn)研究了不同間隙比對(duì)近壁單圓柱尾流流動(dòng)形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)在間隙比為0.6時(shí)，壁面對(duì)圓柱尾流的流動(dòng)特性影響顯著.近壁多圓柱方面：隨著圓柱數(shù)量的增加，圓柱尾跡不僅受到壁面的影響，還受到圓柱間的相互作用，因此尾流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜.近壁串列圓柱尾流的渦脫頻率與串列雙圓柱有些類(lèi)似，由于壁面的影響，尾跡特性有所不同[9-10].陳波等[11]分別對(duì)近壁串列和并列雙圓柱進(jìn)行了PIV試驗(yàn)研究，通過(guò)改變圓柱中心距和間隙比，給出了圓柱尾跡特性和斯特勞哈爾數(shù)的變化.在湍流狀態(tài)下，RAIOLA等[12]進(jìn)一步對(duì)近壁串列雙圓柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，總結(jié)了間隙比對(duì)下游圓柱尾跡特性的影響規(guī)律.

總體上，近壁插入圓柱繞流的試驗(yàn)研究主要集中于單圓柱和串并列雙圓柱，研究成果豐碩.文中在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索，固定上游圓柱位置，通過(guò)改變下游圓柱與壁面的距離，使雙圓柱與壁面間形成一定的傾角，稱(chēng)該傾角為近壁雙圓柱傾角γ.在過(guò)渡流下對(duì)近壁雙圓柱傾角模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，總結(jié)傾角γ對(duì)圓柱繞流結(jié)構(gòu)的影響，可為實(shí)際工程中換熱器的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)臺(tái)介紹

圖1為開(kāi)式循環(huán)水槽試驗(yàn)臺(tái)，其長(zhǎng)寬高分別為3 000，300，300 mm，試驗(yàn)段水深為265 mm，為了保證水槽的透光性，其側(cè)壁和底面均采用亞克力材料.試驗(yàn)臺(tái)主要由6個(gè)部分組成，分別為下水箱、上水箱、整流段、收縮段、試驗(yàn)段以及回流段，回路中的配件包括：蜂窩器、隔膜閥以及潛水泵.

圖1 開(kāi)式循環(huán)水槽試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)水循環(huán)的過(guò)程：① 潛水泵將水從下水箱抽至上水箱；② 水從上水箱流出，經(jīng)過(guò)隔膜閥調(diào)速后流入整流段；③ 水流經(jīng)過(guò)蜂窩器整流后流入收縮段；④ 經(jīng)過(guò)收縮段加速后，水流流入試驗(yàn)段；⑤ 通過(guò)試驗(yàn)段的水流再經(jīng)過(guò)回流段，最終流入下水箱，完成整個(gè)循環(huán).

1.2 PIV測(cè)試系統(tǒng)及試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

圖2為PIV系統(tǒng)與近壁雙圓柱傾角試驗(yàn)臺(tái)的布置關(guān)系示意圖.其中，PIV系統(tǒng)的硬件包括激光器、冷卻器、同步控制器、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)等；軟件包括粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、數(shù)字相機(jī)控制系統(tǒng)等.試驗(yàn)中，激光采用Beamtech公司生產(chǎn)的雙頻脈沖激光器(Vlite-Hi-100)，使用PowerView2MP相機(jī)拍照采集樣本，系統(tǒng)采樣頻率為20 Hz，每個(gè)樣本工況拍攝400張.

圖2 近壁雙圓柱繞流試驗(yàn)臺(tái)PIV系統(tǒng)示意圖

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

研究中，雷諾數(shù)定義計(jì)算公式為

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；U為流體的平均速度，m/s；D為圓柱直徑特征長(zhǎng)度，mm；μ為黏性系數(shù)，Pa·s.

圖3為近壁雙圓柱傾角試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D.其中，U0為進(jìn)口速度，C為圓柱底部距壁面的距離，T為兩圓柱橫向中心距，C/D稱(chēng)為間隙比，T/D稱(chēng)為橫向間距比，γ為近壁雙圓柱傾角.

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

1.4 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

試驗(yàn)中，雷諾數(shù)為300，水溫為25 ℃，圓柱直徑D為15 mm.試驗(yàn)前，保持上游圓柱距離進(jìn)口的位置為20.0D，通過(guò)改變下游圓柱與壁面的距離來(lái)調(diào)整傾角，分別取傾角γ為-11.3°，-7.6°，-3.8°，0°，3.8°，7.6°，16.7°和25.0°，并在流場(chǎng)中加入鍍銀玻璃球(直徑為13 μm)作為示蹤粒子.試驗(yàn)中由激光器從上方打出與水平面垂直的片狀光源，結(jié)合CCD相機(jī)拍攝流場(chǎng)區(qū)域，最終通過(guò)Insight4G處理獲得速度場(chǎng)圖.

2 結(jié)果與討論

為了研究?jī)A角γ對(duì)圓柱繞流結(jié)構(gòu)的影響，從速度流線(xiàn)及速度場(chǎng)、截面速度以及周期性角度進(jìn)行分析.在近壁單圓柱的研究中，間隙比為0.6D時(shí)，壁面對(duì)圓柱尾流的流動(dòng)影響較為顯著[8]，因此文中保持上游圓柱間隙比為0.6D，通過(guò)改變下游圓柱位置來(lái)調(diào)整傾角γ，研究不同工況下的時(shí)均和瞬時(shí)流動(dòng)特性.

2.1 時(shí)均流動(dòng)特性

圖4所示為Re=300，T/D= 3時(shí)，不同傾角下的時(shí)均流線(xiàn)圖.

圖4 Re=300不同傾角γ的時(shí)均流線(xiàn)及速度場(chǎng)圖

具體分析當(dāng)γ= -11.3°時(shí)，上游圓柱的剪切層在圓柱間形成了尺度相近的旋渦對(duì)，并向右上方傾斜.下游圓柱緊貼壁面，其上側(cè)剪切層在下游壁面重新附著，形成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的大尺度旋渦.隨著傾角γ增大到-7.6°，-3.8°，下游圓柱離開(kāi)壁面，上游圓柱尾流受到下游圓柱的抑制效果逐漸增強(qiáng)，兩圓柱間旋渦對(duì)受到擠壓.下游圓柱與壁面間出現(xiàn)間隙流，且流量逐漸增大.在圓柱與壁面的相互作用下，圓柱尾流先出現(xiàn)旋渦對(duì)，再演變?yōu)樯蟼?cè)剪切層單側(cè)繞流.當(dāng)傾角γ為0°時(shí)，兩圓柱位于同一直線(xiàn)上，下游圓柱抑制作用加強(qiáng)，上游圓柱的上側(cè)剪切層發(fā)展受到抑制，表現(xiàn)為下側(cè)剪切層單側(cè)繞流.下游圓柱尾流依舊表現(xiàn)為上側(cè)剪切層單側(cè)繞流，但旋渦尺度明顯減小.隨著傾角γ增大到3.8°，7.6°時(shí)，上游圓柱位置開(kāi)始低于下游圓柱，其下側(cè)剪切層的發(fā)展受到抑制，圓柱間被上側(cè)剪切層形成的旋渦充滿(mǎn).下游圓柱尾流在雙側(cè)剪切層的共同作用下，形成對(duì)稱(chēng)旋渦對(duì).說(shuō)明在該工況下，下游圓柱上下游剪切層的作用效果相同，處于相對(duì)平衡的狀態(tài).當(dāng)傾角γ繼續(xù)增大至16.7°，25.0°時(shí)，壁面和上游圓柱對(duì)下游圓柱尾流的影響逐漸減小，下游尾流開(kāi)始由下游剪切層的單側(cè)繞流逐漸演變?yōu)樾郎u對(duì).同樣，上游圓柱受下游圓柱的影響也在減弱，其尾流逐漸演變?yōu)榻趩螆A柱的情況.

總體上，隨著傾角γ不斷增大，上游圓柱尾流由下側(cè)剪切層發(fā)展被抑制逐漸演變?yōu)樯蟼?cè)剪切層發(fā)展被抑制，圓柱間由旋渦對(duì)先變?yōu)閱蝹?cè)繞流再演變?yōu)樾郎u對(duì)；下游圓柱開(kāi)始由上側(cè)剪切層占主導(dǎo)，在γ=7.6°時(shí)達(dá)到平衡，再演變?yōu)橄聜?cè)剪切層占主導(dǎo)，最終趨于單圓柱繞流情況.

圖5 速度截面位置示意圖

圖6 Re=300時(shí)不同傾角的速度截面圖

在X/D=4，5位置處，近壁區(qū)域未出現(xiàn)速度波峰，速度大小減弱，說(shuō)明壁面附近形成大尺度旋渦的運(yùn)動(dòng)速度較小.隨著傾角γ增大到-7.6°，-3.8°，下游圓柱與壁面間有流體通過(guò)，速度波峰出現(xiàn)并逐漸增大.流體在X/D=4，5壁面附近獲得加速，但由于壁面黏性剪切力作用，速度小于上側(cè)剪切層，此時(shí)上側(cè)剪切層起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為下游圓柱尾流由上大下小的旋渦對(duì)變?yōu)樯蟼?cè)剪切層單側(cè)繞流.由于下游圓柱離開(kāi)壁面，不再堵塞上游近壁區(qū)域的來(lái)流，X/D=1，2處速度波峰有所增加，即壁面附近流體獲得略微加速.在傾角γ=0°時(shí)，上游圓柱的X/D=1，2處速度波峰進(jìn)一步增加，說(shuō)明下側(cè)剪切層起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為下側(cè)剪切層單側(cè)繞流.下游圓柱受壁面剪切力的影響開(kāi)始減弱，近壁區(qū)域流體速度得到進(jìn)一步增大.傾角γ繼續(xù)增大，下游圓柱尾流逐漸脫離了壁面影響，近壁區(qū)域流體速度繼續(xù)增加.在傾角γ=7.6°時(shí)，上游圓柱近壁區(qū)域速度波峰減小，流體速度開(kāi)始減弱.下游圓柱兩側(cè)剪切層的加速效果相同且達(dá)到最大值，在上游圓柱和壁面的共同作用下，下游圓柱尾流形成完全對(duì)稱(chēng)的旋渦對(duì).當(dāng)傾角γ=16.7°，25.0°時(shí)，上游圓柱尾流的速度波峰基本不變，流體速度趨于穩(wěn)定，說(shuō)明其受到下游圓柱的影響逐漸較小.下游圓柱近壁區(qū)域加速效應(yīng)維持的區(qū)域增大，表現(xiàn)為圓柱尾流旋渦尺度增大.可以推測(cè)，當(dāng)傾角γ繼續(xù)增大時(shí)，下游圓柱將不再受到壁面和上游圓柱的影響，其后方的速度截面分布趨于對(duì)稱(chēng).

總體上，隨著傾角γ的增大，上游圓柱的上側(cè)剪切層獲得加速且基本保持不變，下側(cè)剪切層加速效果先增強(qiáng)后減弱.受上游圓柱和壁面的影響，下游圓柱上側(cè)剪切層的加速不斷增加直到穩(wěn)定，下側(cè)剪切層加速效果先增強(qiáng)最終穩(wěn)定，而加速效應(yīng)維持的區(qū)域不斷擴(kuò)大.

2.2 瞬態(tài)流動(dòng)特性

過(guò)渡流狀態(tài)下，流場(chǎng)具有周期性變化規(guī)律[13-14].從文中分析可以看出，傾角γ=-7.6°時(shí)，壁面與圓柱間影響明顯，此時(shí)，上下游圓柱尾流均出現(xiàn)旋渦對(duì)，能初步判斷圓柱尾流具有較明顯的周期變化規(guī)律.為了進(jìn)一步理清周期性特征引起近壁區(qū)域的流動(dòng)不穩(wěn)定性機(jī)理，以下選取傾角γ=-7.6°工況，結(jié)合圓柱尾流一個(gè)合理監(jiān)測(cè)點(diǎn)在y方向的速度脈動(dòng)圖進(jìn)行分析.

圖7為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置示意圖，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于上下游圓柱尾部.監(jiān)測(cè)點(diǎn)A與上游圓柱最高點(diǎn)的橫向間距x1為2.0D，與壁面的縱向距離y1為1.6D；監(jiān)測(cè)點(diǎn)B與下游圓柱最高點(diǎn)的距離x2為1.5D，與壁面的縱向距離y2為1.2D，以確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)能順利捕捉到圓柱尾流的速度脈動(dòng).

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖8為監(jiān)測(cè)點(diǎn)在y方向的速度及其能量譜密度，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，B的能量譜密度均出現(xiàn)了峰值，這表明上下游圓柱尾流具有一定的周期性流動(dòng)規(guī)律.監(jiān)測(cè)點(diǎn)A在y方向上的速度脈動(dòng)形成單一峰值，說(shuō)明上游流場(chǎng)具有明顯的周期性特征.監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的能量譜密度出現(xiàn)了2個(gè)峰值，說(shuō)明下游流場(chǎng)的周期性較弱，這是因?yàn)橄掠螆A柱尾流不僅有上游圓柱尾流的干擾，還受到壁面的抑制作用，導(dǎo)致其尾流的流動(dòng)特性更加復(fù)雜，周期性流動(dòng)特征較弱.

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在y方向的速度及其能量譜密度

基于對(duì)γ=-7.6°工況下速度及其能量譜密度圖的分析，以下詳細(xì)分析一個(gè)周期內(nèi)圓柱尾流的瞬時(shí)流動(dòng)特性.圖9為上下游圓柱尾流在一個(gè)流動(dòng)周期內(nèi)的瞬時(shí)流線(xiàn)及速度場(chǎng)圖.

從圖9中可以看出，周期開(kāi)始時(shí)(T0=0.125T)，上游圓柱下側(cè)初步形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的小尺度旋渦，上側(cè)為正在發(fā)展的大尺度旋渦，伴隨著上側(cè)旋渦不斷向后移動(dòng)直至最終脫落，下側(cè)小尺度旋渦也緊隨其后，不斷發(fā)展，尺度逐漸增大，最終脫落.周期結(jié)束時(shí)(T0=T)，下側(cè)再次形成一個(gè)新的小尺度旋渦，上側(cè)同樣為正在發(fā)展的大尺度旋渦，即將發(fā)展成周期開(kāi)始的狀態(tài)，完成了一個(gè)周期的流動(dòng).對(duì)比之下，下游圓柱尾流的周期性特征不太明顯.下游圓柱的上側(cè)旋渦先增大后減小，最終消失.與此同時(shí)，下側(cè)旋渦也在向后移動(dòng)并消失，且下側(cè)旋渦的脫落速度要快于上側(cè).正是由于這種周期性的旋渦脫落，使圓柱尾流的擾動(dòng)加劇，從而增強(qiáng)了近壁區(qū)域的流動(dòng)不穩(wěn)定性.

圖9 Re=300時(shí)一個(gè)流動(dòng)周期內(nèi)的瞬時(shí)流線(xiàn)及速度場(chǎng)

3 結(jié) 論

1) 近壁雙圓柱傾角對(duì)繞流結(jié)構(gòu)影響顯著.隨著傾角γ的增大，上游圓柱尾流受到下游圓柱的抑制角度也在變化，由下側(cè)剪切層發(fā)展被抑制逐漸演變?yōu)樯蟼?cè)剪切層發(fā)展被抑制；下游圓柱尾流由上側(cè)剪切層主導(dǎo)逐漸演變?yōu)橄聜?cè)剪切層主導(dǎo).

2) 壁面附近擾動(dòng)程度與近壁雙圓柱傾角的大小有關(guān)，隨著傾角γ的增大，上游圓柱近壁區(qū)域的加速效果先增強(qiáng)再減弱，壁面附近流動(dòng)不穩(wěn)定性先增強(qiáng)后減弱.下游圓柱近壁區(qū)域加速效果不斷增強(qiáng)直至穩(wěn)定，加速效應(yīng)維持的區(qū)域不斷增大，壁面擾動(dòng)程度增強(qiáng).

3) 在文中研究的工況中，近壁雙圓柱傾角對(duì)繞流結(jié)構(gòu)具有一定的影響，在γ<7.6°的工況下，傾角γ對(duì)繞流結(jié)構(gòu)影響逐漸增大；在γ>7.6°的工況下, 傾角γ對(duì)繞流結(jié)構(gòu)影響逐漸減弱.

4) 過(guò)渡流下流場(chǎng)具有周期性特征，在傾角γ=-7.6°工況下，上游圓柱尾流流動(dòng)的周期性要強(qiáng)于下游，兩圓柱尾流形成周期性的旋渦交替脫落，增強(qiáng)了壁面的流動(dòng)不穩(wěn)定性.