翟少華，謝福興，尹廣洲，喜冠南

(南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

流體在壁面流動時會產生邊界層[1]，受邊界層影響，壁面附近會出現擾動，而在近壁面插入鈍體能夠改變流場的流動狀態(tài).在許多工程領域中，為達到節(jié)能降耗的目的，流體在輸送管道近壁區(qū)的流動一直是人們所關注的焦點問題之一[2]，例如在鋪設海底輸送管道時，合理設置管道與海底面的距離從而減少海水對管道的沖擊破壞；在換熱器的設計中，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的模型，其流動規(guī)律的異同點值得探究.

關于間隙比對近壁插入不同鈍體繞流影響的研究，國內外學者們進行了一些試驗和數值計算.圓柱或方柱與壁面間的距離L與其截面特征長度(圓柱直徑或方柱邊長)D的比值為間隙比，萬津津[3]利用PIV對不同L/D下近壁方柱進行了試驗研究，得出抑制渦街的臨界間隙比在0.3～0.4，當L/D=0.1時方柱靠近壁面一側不再有旋渦脫落，分離邊界層在方柱下游7.25D處壁面再附.LEI等[4]發(fā)現壁面邊界層厚度與L/D是影響繞流尾跡結構的重要參數.許慧等[5]對不同L/D下近壁單圓柱對壁面擾動影響進行了數值模擬，得出Re=200時，L/D=1.0為最佳插入位置，而Re=500時，L/D=0.6近壁區(qū)域擾動最強烈.ZHAO[6]對靜態(tài)流體中近壁面振蕩圓柱進行了數值模擬，發(fā)現當L/D=0.1時會顯著增加阻力系數和慣性系數，若L/D=1.0或更高，與無近壁圓柱相比阻力系數變化不到10%.王國興等[7]對不同L/D和Re下近壁圓柱繞流的水動力特性進行了數值模擬和試驗研究，得出L/D較小時，渦街中線有下移趨勢，尾流形態(tài)有明顯的規(guī)則性和相似性.DURO等[8]通過對Re=1.4×104時不同L/D下單方柱繞流的頻譜分析，得出當L/D≥1.0時出現單個明顯峰值，表明渦脫落有規(guī)律性.CHEN等[9]通過對Re=200時近壁圓柱繞流橫向振動的數值模擬，發(fā)現L/D≤0.5時尾流的逆時針旋渦會受到抑制，且隨著L/D減小圓柱上部順時針旋渦很強而下部逆時針旋渦逐漸減弱，另外壁面對圓柱的固有頻率有顯著影響.MUNIR等[10]對振蕩流中近壁圓柱的流致振動進行數值模擬，發(fā)現平面邊界顯著影響橫流方向上的振動幅度.LI等[11]研究了L/D=0，0.1，0.5時近壁圓柱尾流特性，發(fā)現渦隨著L/D增大，同一符號的單列相干結構隨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雜的相互作用.XIONG等[12]針對中、低斯托克斯數時不同L/D下的近壁面圓柱周圍的振蕩流進行了數值計算，確定了3種邊際穩(wěn)定性曲線隨L/D變化的機制.

目前關于間隙比對近壁插入圓柱和方柱的研究主要集中在數值計算、湍流狀態(tài)，而過渡流狀態(tài)下關于兩者對比的試驗研究還較少，其渦激振動特性的差異還未完全研究清楚.因此，文中選取雷諾數Re=300，對近壁插入的單圓柱和方柱模型進行試驗研究，分析不同間隙比L/D下兩者渦激振動特性的異同點，對實際工程領域應用具有一定的參考價值.

1 試驗平臺與裝置

1.1 試驗平臺

開式循環(huán)水槽試驗臺由水箱、調速閥、整流段、大、小蜂窩器、收縮段、試驗段、過渡段、水泵等組成，如圖1所示.

圖1 開式循環(huán)水槽試驗臺示意圖

水槽通過水泵從下水箱將水抽至上水箱，通過調速閥控制流速，水依次流入有大蜂窩器的整流段、收縮段.(收縮段形狀通過三次方曲線擬合用于流體的加速及整流.)在收縮段與試驗段連接處放置小蜂窩器用于二次整流.圖2為用粒子圖像測速系統(tǒng)[13]拍攝試驗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相當穩(wěn)定.流體通過試驗段流過模型后，為防止流體回流造成影響，設置了較長的過渡段，然后進入最右側水箱，最后由底側水管回流至下水箱，完成整個循環(huán)過程.

圖2 試驗段激光截面速度矢量圖

1.2 粒子圖像測速系統(tǒng)

圖3為粒子圖像測速系統(tǒng)PIV示意圖，主要由雙脈沖激光器、冷卻器、CCD高速相機、同步控制器、計算機等組成.試驗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拍攝頻率，雙脈沖激光器通過導光臂發(fā)射出垂直于水面的片狀激光，同時由垂直于試驗臺側面的CCD相機拍攝激光照亮的區(qū)域，收集到的圖像信息會實時傳輸到計算機，再通過軟件進行后處理.圖1中試驗段的材料為光滑透明的亞克力玻璃板，當激光的片光垂直照射在壁面時，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污染[14].

圖3 試驗臺PIV系統(tǒng)示意圖

1.3 試驗模型與參數

本研究中，雷諾數計算公式為

(1)

式中：ρ為流體密度；Um為平均速度；D為模型特征長度；μ為黏性系數.

試驗模型布置如圖4所示，圖中U為進口速度，D為鈍體特征長度(圓柱的直徑或方柱的邊長)，L為鈍體下邊緣距壁面的距離，L/D為間隙比.試驗中，Re=300，D=15 mm，水溫T=20 ℃.雙脈沖激光器的頻率為20 Hz，每個工況拍攝400張照片，分別對L/D為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0進行分析.

圖4 模型的試驗布置和參數設置

2 試驗結果分析

2.1 時均流場分析

考慮到時均特性的一般性特征，對2種模型尾流的時均流場及渦量進行對比分析.在流場中，渦激振動特性變化主要變現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，其中藍色表示負渦，引導順時針流動；紅色表示正渦，引導逆時針流動.顏色的深淺程度表示渦量強度的大小，渦激振動特性變化表現為渦量分布區(qū)域大小和渦量的強弱變化.兩者的時均流場圖及渦量圖分別如圖5，6所示.

圖5 不同L/D下模型的時均流線及速度場圖

在同一Re，不同L/D下，如Re=300，L/D=0.2時，流體流過鈍體表面形成雙側分離剪切層，上側剪切層形成順時針回流，渦量強度較大.此時間隙較小，下側剪切層發(fā)展受到抑制，經過間隙流體的流速加快，在鈍體后側近處形成強度較小的逆時針負渦，在較遠處形成了順時針回流區(qū).當L/D=0.4，0.6時，上側順時針正渦的強度較L/D=0.2時減小，間隙增大使得下側分離剪切層慢速發(fā)展，逆時針負渦強度增大，與上側正渦構成旋渦對.近壁方柱后側近處的旋渦對尺度更大，遠處正渦尺度較L/D=0.2略微增大且逐漸貼近壁面.當L/D=0.8時，壁面的抑制作用減弱，后側形成旋渦對的尺度以及渦量強度逐漸增大.相比于同工況的近壁圓柱，方柱后側旋渦對尺度更大.當L/D=1.0時，壁面的抑制作用進一步減弱，鈍體后側旋渦對趨于對稱，而尺度以及渦量強度較L/D=0.8相差不大，與無壁面時的特性相似，說明壁面對鈍體繞流的影響較小.

圖6 不同L/D下模型的時均渦量圖

2.2 速度截面分析

為研究不同L/D對壁面流動不穩(wěn)定性的影響規(guī)律，結合時均速度截面分布進行分析，3個截面位置分別選擇X/D=1.5，3.0，4.5處.

當Re=300時，不同X/D下的2種模型的速度截面分布如圖7所示.當L/D=0.2時，間隙較小，近壁面區(qū)域流動加速，但是壁面的抑制作用強，加速效果不明顯；當L/D=0.4，0.6時，圓柱后側遠處順時針回流區(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L/D=0.8時，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，此時方柱后側遠處順時針回流區(qū)消失，近壁面附近流速明顯增大；當L/D=1.0時，壁面的抑制作用進一步減弱，下游剪切層充分發(fā)展，近壁面附近流體加速效果達到最強.

圖7 不同L/D下圓柱和方柱后側截面的速度截面分布圖

當L/D=0.2時，X/D=3.0正處于遠處順時針回流區(qū)邊緣，受其影響，兩模型壁面附近流速幾乎為0，此時壁面擾動較弱.當L/D=0.4時，抑制作用減弱，圓柱近壁面流速變化不明顯，而遠處順時針回流區(qū)消失導致圓柱后側流速大幅增加，此時方柱壁面附近流速也明顯加快.當L/D=0.6～1.0時，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時達到最快.

當L/D=0.2，0.4時，X/D=4.5處于遠處順時針回流區(qū)附近，兩者近壁面附近流速出現負值，壁面附近出現回流；當L/D=0.6時，圓柱后側流速隨著與壁面垂直距離增加而增大.而方柱遠處仍然存在順時針回流區(qū)，壁面流速無明顯變化，且方柱后側流速比同位置圓柱的更小；當L/D=0.8，1.0時，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處圓柱后側旋渦對尺度更小，對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)周期流動特性

過渡流狀態(tài)下的流場具有周期性變化規(guī)律[15]，對兩者的流動周期性進行分析.選取L/D=0.2，0.6，1.0時分析尾流監(jiān)測點A在y方向速度隨時間的變化特征.為準確監(jiān)測到壁面附近的流動情況，監(jiān)測點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)測點A在y方向上的速度隨時間變化波動圖(v-t)、功率譜密度圖(PSD-f).可以看出，當L/D=0.2時，兩者的v隨t在水平軸線附近無規(guī)律變化且振幅較小，對應的能量譜密度也在多頻率下出現不同峰值，表明此時流體的渦激振動沒有周期性特征.

圖8 不同L/D下的2種模型的速度波動圖

圖9 不同L/D下2種模型的功率譜圖

當L/D=0.6時，圓柱v振幅增大，而方柱變化不明顯.隨t變化，兩者v都表現出了周期性規(guī)律，圓柱和方柱對應的功率譜密度分別在頻率為1.5，1.2 Hz左右處出現了單一峰值，表明兩者分別形成了振動主頻率約為1.5，1.2 Hz的周期性振動.當L/D=1.0時，兩者v的振動仍然保持周期性特征、主振頻率都略微減小，但方柱振幅進一步增加，壁面附近的擾動程度增強，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后減弱，主振頻率逐漸減?。欢街恼穹饾u增強，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.

以上分析表明兩者具有周期性流動特征，選取L/D=1.0工況具體分析兩者在1個流動周期內瞬態(tài)流場的變化特點.圖10為Re=300，L/D=1.0時1個流動周期內6個不同時刻的流場圖.

圖中黃色和藍色箭頭標記分別表示上、下側分離剪切層產生的順時針正渦和逆時針負渦.可以看出，剛開始時，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遠處移動，最終完全消失；與此同時，負渦也經歷了由形成、發(fā)展至脫落的過程，在鈍體尾流處表現出正、負渦規(guī)律的交替脫落現象.這可以說明由于鈍體尾流的周期性的渦脫運動，使壁面間的流動不穩(wěn)定性增強.

圖10 L/D=1.0時1個流動周期內不同瞬時的流線及速度

3 結 論

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

2) 近壁單方柱繞流與近壁單圓柱也存在差異.① 方柱的渦分離點固定，而圓柱沒有固定分離點，同一Re，相同L/D工況下方柱渦的尺度以及渦量強度比圓柱更大，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后減弱，方柱尾流處振幅逐漸增強且主振頻率略小，表明近壁單方柱繞流周期大于單圓柱.