尾部喷射对横向振荡柱体尾流的抑制

2015-03-23吴二帅邵传平

中国计量大学学报 2015年1期

关键词：尖峰柱体旋涡

吴二帅,邵传平

(中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州 310018)

尾部喷射对横向振荡柱体尾流的抑制

吴二帅,邵传平

(中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州 310018)

沿圆柱的一条母线开一条宽度h/D=0.02的狭缝作为喷射口,并使其与来流平行.研究了雷诺数Re=4 400、无量纲振荡频率feD/V=0.019,Re=6 900、feD/V=0.048和Re=2 400、feD/V=0.25三种状态下尾部喷射对横向振荡柱体尾流的抑制.通过对风洞中的烟线显示和热线测量得到的数据进行分析表明,在一定的喷射速度范围内,尾部喷射能够对横向振荡柱体的尾流进行很好的抑制.

振荡柱体;流动控制;尾部喷射

流体流过钝物体时,钝物体两侧会发生旋涡脱落现象,钝物体表面的压力会随着旋涡交替脱落而变化,产生一个周期性的作用力,从而产生交变载荷,引起物体振动.当交变载荷的变化频率与物体固有频率接近时,会发生共振,物体振幅急剧增大,破坏力也迅速增强.旋涡脱落还会增大流体阻力、产生噪声[1-4].

流体流过做强迫振动的钝物体,旋涡脱落模式随着振动的幅度、频率和雷诺数的变化而变得更加复杂,引起的载荷作用范围更广,破坏力也更强.海流作用下的海洋结构物如石油平台桩、海底输油管道,飓风下的圆柱状建筑物等所受到的破坏即是实例.

为了抑制旋涡脱落,人们做了很多研究,发展出了很多控制理论和控制方法[4-8].这些方法主要分为主动控制和被动控制两大类[8],其中在钝物体尾部开缝或开孔进行喷射或抽吸就是一种常见的主动控制方法.从流孔数量上分,常见的喷射或抽吸控制方法有二维单缝式、二维多缝式、三维单排孔式、三维多排孔式等.从出流方式上可分为:恒定喷射式、恒定吸入式、交替吸喷式等[8-15].上述控制方法,数值模拟和实验都有用到,只是现有的实验研究模型大部分是静止钝物体,这些方法是否能够对做强迫振动的柱体尾流进行控制有待研究.本文用尾部喷射对横向振荡圆柱的尾流进行抑制.

1 模型和实验布置

实验在循环式风洞中进行,其实验段长2.0 m,壁面由有机玻璃制成,横截面积0.6 m×0.6 m,可提供来流速度0.5～50 m/s、湍流度小于0.5%的均匀来流.在实验段侧壁的半高位置开一个长方形洞,洞竖直方向长10 cm,沿流向宽6 cm,用于放置振荡圆柱.振荡圆柱由有机玻璃制成,圆柱直径D=5 cm,壁厚0.5 cm,在风洞内的长度为0.6 m,圆柱横跨实验段放置.振荡圆柱通过长方形洞延伸至实验段外,并固定在一个转动滑块连杆机构上,此机构能够把电机的转动转化为圆柱的横向振动,实验时通过调节步进电机的转速来调节圆柱的振荡频率.

在圆柱上沿着母线开一条与轴心平行的细缝作为喷射口,缝隙宽度h=1 mm,缝长0.6 m.振荡圆柱在风洞内的端部密封,另一端经由PU空压软管连接至调压器及过滤器再连接至空气压力罐,空气压力罐内的空气由空气压缩机补充,保证空气压力罐内压力维持在0.8 MPa左右,以便于空气通过狭缝后形成持续恒定的射流.固定圆柱时,用水平仪测量喷射口,保证喷射速度与来流平行.实验时,打开空气压缩机、空气压力罐,调节减压阀即可得到需要的喷射速度.实验模型的布置如图1.

图1 横向振荡柱体模型和实验布置Figure 1 Sketch of the model and experimental facilities

横向振荡柱体尾流的显示用烟线法来实现,如图1所示,在柱体上游风洞实验段的中心位置竖直固定一根直径为40 μm的金属丝,金属丝距离圆柱轴线约10 cm,其两端与烟线发生器的电容器正负极相连接.为了便于观察,在风洞实验段的上下及后壁面贴上黑纸,上下壁面的黑纸沿流向割开一条缝隙,并且使两条缝隙与金属丝在一个平面内,在缝隙口放置闪光灯,以便于拍照时形成片光源.闪光灯的触发由烟线发生器来控制.实验时,用毛笔在金属丝上均匀地涂抹甘油,然后电容在烟线发生器控制下进行放电,以短时间内加热金属丝,从而把金属丝上的甘油蒸发形成甘油烟雾,甘油烟雾其实是由很多的甘油颗粒组成,这些甘油颗粒直径很小,在空气中跟随性良好,所以烟雾被来流均匀地吹向下游,形成烟幕从而清晰地显示出金属丝下游的流场.由于形成烟幕需要一定的时间,所以电容器放电以后闪光灯需要一定的延时之后闪光才能记录完整的流场,延时可由烟线发生器的控制器来调节.闪光之后可用相机进行拍照,以记录横向振荡柱体的尾流.

进行定量分析时需要画出横向振荡柱体尾流加喷射前后的脉动速度功率谱,这就需要测量柱体下游的脉动速度.实验时,在X/D=6.0截面处放置由DANTEC公司生产的55p14热线探头,沿Y方向上-3D到3D范围内每隔0.2D测量一个位置的速度,每一个位置采样16 s、采样频率为256 Hz,这样每个位置得到4 096个瞬时速度值,通过matlab程序进行处理,可得到每个位置点处的脉动速度功率谱.

2 实验结果分析

横向振荡柱体的尾流控制实验参数范围为:Re=VD/ν=2 400～6 900,柱体振幅A/D=0.4,振荡频率feD/V=0.019～0.25,喷射速度Vb/V=0～15,其中V为来流速度,ν为空气粘性系数,fe为柱体的振荡频率、D为圆柱直径.研究了雷诺数Re=4 400、无量纲振荡频率feD/V=0.019,Re=6 900、feD/V=0.048和Re=2 400、feD/V=0.25三种状态下尾部喷射对横向振荡柱体尾流的抑制.现分别进行讨论.

2.1Re=4 400、无量纲振荡频率feD/V=0.019的旋涡脱落抑制

如图2(a),没有加喷射时,来流空气流过横向振荡柱体,柱体上下两侧周期性地交替脱落一个旋涡,并且旋涡的旋转方向相反,为反对称脱落模式,旋涡生成尺度比较大,越远离柱体尾迹越宽,有明显的扩展趋势.当喷射速度增大到Vb/V=1.5时,横向振荡柱体的尾涡开始减小,尾迹也开始变窄,有时能抑制住一侧的旋涡脱落(图2(b)).喷射速度继续增大,当喷射速度达到Vb/V=6.0时,旋涡已被完全抑制住,而且尾迹变得比较窄,扩展性减小(图2(c)).喷射速度继续增大,旋涡脱落抑制得也很好,尾流变得更窄,没有产生新的旋涡脱落(图2(d)).

图2 雷诺数Re=4 400，无量纲振荡频率feD/V=0.019时的喷射抑制效果Figure 2 Suppression effects at different blow speeds, Re=4 400, feD/V=0.019

图3是在X/D=6.0截面上测得的无控制时和当喷射速度Vb/V=6.0时的脉动速度功率谱,在测量范围Y=-3D到Y=3D内选择了四个测量点进行比较.如图3(a)所示,无控制时,各个脉动速度功率谱中有两个尖峰.第一个尖峰横坐标为fD/V=0.019与柱体的振荡频率相同,它是由柱体振动引起的尾流速度脉动向下游传播产生的,不对应旋涡脱落.第二个尖峰横坐标fD/V≈0.17,与静止柱体的旋涡脱落频率相同,为旋涡脱落频率.如图3所示,通过四个测量位置上控制前后脉动速度功率谱的对比可知,第二个尖峰都完全消除了、第一个尖峰也明显的减小,说明旋涡脱落得到了很好的抑制.

2.2Re=6 900、无量纲振荡频率feD/V=0.048的旋涡脱落抑制

如图4(a),在这种状态下,无控制时,横向振荡柱体后的尾涡两侧交替脱落,旋涡旋转方向相反,且旋涡比较大,尾流很宽.当喷射速度达到Vb/V=3.7时,喷射对柱体尾流有抑制作用,但抑制效果不好(图4(b)).喷射速度继续增大,控制效果越来越好,当Vb/V=7.6时,此时柱体尾涡得到很好的抑制,没有明显的旋涡脱落,尾流很窄,达到很好的抑制效果(图4(c)),如图4(d)继续增大喷射速度,依然能够抑制住旋涡脱落.

图3 在X/D=6.0面上不同点处测量的施加控制前后的尾流脉动速度功率谱,Re=4 400,feD/V=0.019Figure 3 Power spectra of fluctuating velocities at various points on line X/D=6.0 in the wakes without and with control, Re=4 400, feD/V=0.019.

图4 Re=6 900，无量纲振荡频率feD/V=0.048时的喷射抑制效果Figure 4 Suppression effects at different blow speeds, Re=6 900, feD/V=0.048

图5是无控制和喷射速度Vb/V=7.6的脉动速度功率谱的比较.如图5(a),无控制脉动速度功率谱有两个或三个尖峰,第一个尖峰的横坐标为fD/V=0.048,与柱体的振荡频率相同,是由柱体振荡引起的速度脉动向下游传播引起,不代表旋涡脱落.第三个尖峰横坐标fD/V≈0.17,是此种状态下的旋涡脱落频率,中间的尖峰为第一个和第三个尖峰的合成.通过四个测量点加喷射前后的脉动速度功率谱对比可知,虽然第一个尖峰没有明显的控制效果,但第二个第三个尖峰被完全消除,由于第三个尖峰代表旋涡脱落频率,所以这种状态的旋涡脱落得到了很好的抑制.

图5 在X/D=6.0面上不同点处测量的施加控制前后的尾流脉动速度功率谱,Re=6 900,feD/V=0.048Figure 5 Power spectra of fluctuating velocities at various points on line X/D=6.0 in the wakes without and with control, Re=6 900, feD/V=0.048

2.3Re=2 400、无量纲振荡频率feD/V=0.25的旋涡脱落抑制

图6是雷诺数Re=2 400,无量纲振荡频率feD/V=0.25时的控制情况.如图6(a),横向振荡柱体每两个振荡周期脱落一个旋涡,此时尾涡很大,尾迹也很宽,旋涡呈反对称.喷射对这种情况有抑制作用(图6(b)),当喷射速度达到Vb/V=5.9时,控制效果达到最佳状态,此时旋涡脱落基本得到抑制,尾迹比较窄(图6(c)).继续增大喷射速度,会产生新的旋涡脱落,并且与无控制时的旋涡脱落状态不同(图6(d)).图7是无控制和喷射速度Vb/V=5.9时的脉动速度功率谱.图7(a)中有一个尖峰即旋涡脱落频率,横坐标fD/V=0.125是圆柱振荡频率的0.5倍,表示圆柱每振荡两个周期脱落一个旋涡.当Vb/V=5.9时,尖峰明显降低,说明较好抑制住了旋涡脱落.

图6 Re=2 400，无量纲振荡频率feD/V=0.25时的喷射抑制效果Figure 6 Suppression effects at different blow speeds, Re=2 400, feD/V=0.25

图7 在X/D=6.0面上不同点处测量的施加控制前后的尾流脉动速度功率谱,Re=2 400,feD/V=0.25Figure 7 Power spectra of fluctuating velocities at various points on line X/D=6.0 in the wakes without and with control, Re=2 400, feD/V=0.25

图8 在X/D=6.0面上不同点处测量的施加控制前后的尾流脉动速度功率谱,Re=2 400,feD/V=0.25Figure 8 Power spectra of fluctuating velocities at various points on line X/D=6.0 in the wakes without and with control, Re=2 400, feD/V=0.25

图8是无控制和喷射速度Vb/V=15时的脉动速度功率谱.如图8(b),此时脉动速度功率谱上出现两个或三个尖峰,第一个尖峰横坐标fD/V=0.25与圆柱无量纲振荡频率相同.后面两个峰值为圆柱振荡频率的倍频.此时旋涡脱落频率为fD/V=0.25,旋涡脱落模式改变.

3 结语

沿柱体的一条母线开一条宽1 mm的缝隙作为喷射口对横向振荡柱体的尾流进行控制,在Re=2 400、4 400、6 900三种雷诺数下,对于固定的柱体振频,保持喷射速度Vb/V在一定的范围内,可以对横向振荡圆柱的尾涡脱落进行有效的抑制.实验中,喷射速度每增加1 m/s左右测量一组截面速度,画出这些情况的脉动速度功率谱.我们发现喷射速度逐渐增大的过程中,对于Re=4 400,feD/V=0.019和Re=6 900,feD/V=0.048这两种状态,随着喷射速度的增大,功率谱中代表旋涡脱落频率的尖峰逐渐降低直至消失,并且达到12倍喷射速度以后也没有新的尖峰产生,表示其控制效果逐渐增强.至于更高喷射速度下的抑制情况,由于条件所限,暂时无法进行实验研究.但对于Re=2 400,feD/V=0.25这种状态,在喷射速度从零增大的过程中,对旋涡脱落的抑制作用也从无到有然后逐渐增强,当Vb/V=5.9时控制效果最好,但是继续增大喷射速度,fD/V=0.5这个位置的尖峰会逐渐升高,表示有新的旋涡脱落产生,当喷射速度达到Vb/V=8.0的时候fD/V=0.5这个尖峰已经比较高,为了便于观察,文中选用了Vb/V=15这个喷射速度下的烟线图和脉动速度功率谱,所以尾部喷射对这种状态也有控制效果,只是其控制范围较小.综上所述,尾部喷射对横向振荡柱体的尾流有良好的抑制效果.

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Suppression of vortex shedding from a transversely oscillating cylinder by base blowing

WU Ershuai, SHAO Chuanping

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Air was blowing out from a span-wise slit of widthh/D=0.02. The suppression effect of vortex shedding at non-dimensional oscillation frequenciesfeD/V=0.019, 0.048 and 0.25(the corresponding Reynolds numbers(Re) were 4 400, 6 900 and 2 400, respectively) to the transversely oscillating cylinder were studied.Results of the smoke-wire visualization and hot-wire measurement in a wind tunnel show that vortex shedding from the oscillating cylinder can be effectively suppressed at all the three conditions and the effective range of blow velocity changes with the change offeD/VandRe.

oscillating cylinder; control of vortex shedding; base blowing