氢气泡DPIV技术在圆柱绕流流场测定中的应用

李绍武，唐一夫，曾冬

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

氢气泡DPIV技术在圆柱绕流流场测定中的应用

李绍武，唐一夫，曾冬

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

将氢泡示踪法与数字图像分析技术结合，设计了一套粒子图像流场观测装置，对不同雷诺数下的圆柱绕流流场进行了观测。实验中清晰观察到圆柱绕流的卡门涡街现象。采用基于互相关算法的分析软件对图像进行处理，得到流速矢量图、等值线图及涡量图。根据图像及计算结果，分析了一个拟周期内圆柱后涡旋的发展、演化过程。实测结果表明，随着雷诺数的增大，圆柱绕流近尾迹区长度逐渐缩短。将流动特性实测结果与相关文献进行了对比，结果基本一致。

氢泡法；DPIV技术；圆柱绕流；流场测量

粒子图像测速技术（PIV）是在流动显示基础上利用图像处理技术发展起来的一种瞬态流动测量技术。它突破了单点测量技术的局限性，能在同一瞬时记录下大量空间点上的速度分布信息，提供丰富的流场空间结构以及流动特性。氢泡粒子浓度高，分布均匀，配合激光片光源，可得到高质量的图像，对于了解结构周围流场性质十分有用。DPIV是PIV的数字化形式，示踪粒子的选择是DPIV技术中的重要问题，示踪粒子应满足可见度高和跟随性好的要求。本实验采用氢气泡作为示踪粒子，使用激光作为光源，设计一套DPIV装置，进行圆柱周围流场测量［1-2］，通过改变圆柱直径和水流流速，得到不同雷诺数下的多组流场图像，通过对图像处理获得流场信息。

1 实验方法和设备

1.1 氢泡法DPIV技术的一般工作原理

数字粒子图像测速技术（DPIV）的基本原理是在流场中撒布合适的“示踪粒子”，用激光片光照射所测流场切面区域，通过成像记录系统摄取两次或多次曝光的数字粒子图像，形成DPIV底片；再用数字粒子图像相关法处理DPIV底片，获得区域中数字粒子图像的平均位移。通过某一粒子影像在两幅图像上的位置变化，并考虑实际流场与数字图像之间的几何比例关系，即可计算出示踪粒子的运动速度，计算公式为

式中：Δx、Δy为粒子移动距离；Δt为采样时间间隔；f为摄像机拍摄的帧频；S为换算比尺。

1.2 实验设备及参数

实验装置由实验系统和采集系统两部分组成，整个观测系统如图1所示。水槽、水泵、流量控制阀门及流量计构成水流循环系统，水槽长2.5 m，宽0.3 m，深0.35 m。水槽进水段设有整流网以保持来流均匀稳定，实验段底部涂上黑色背景以便于观测，圆柱垂直固定于水槽底部。氢气泡发生装置通过阴极电解水产生氢气泡作为示踪粒子，阴极采用直径30 μm的铂丝，横向置于圆柱前方，与水面平行，阳极采用铜棒。阴极丝上产生的氢泡缓慢上升的同时随水流向下游移动，用厚度0.5～1 mm的激光片光源水平照射可得到二维流动粒子图像。

CCD相机采样频率为200 Hz，曝光时间为3 527 μs，单个像素尺寸为12 μm×12 μm。数据采用法国LEGI公司的UVMAT软件包进行处理。软件的相关窗口（CorrBox，x，y）为25×25个像素，查问窗口（SearchBox，x，y）为55×55像素，测量网格（Measure⁃ ment Grid）设为30个像素，一幅图像共可计算1 225个速度矢量。

图1 实验装置简图Fig.1 Sketch of experimental apparatus

2 实验结果与讨论

试验在天津大学港口工程试验大厅完成。为了取得较好影像效果，试验选在晚上无光照条件下进行。

图2为全色图与CCD图像对比。由图2-a可清楚地看到圆柱两侧因流速加大氢泡加速运动的现象及圆柱后方的漩涡。

图3为圆柱直径为D=1 cm，来流流速为1.47 cm/s，水深12.6 cm，Re=129时圆柱后流速矢量图。图4为苏铭德采用大涡模拟给出的圆柱绕流流函数图［3］。可以看出，在圆柱后方流场范围内，流线近似呈周期性摆动状，二者结果大体相似。

图2 实验拍摄全色图片和CCD灰度图像对比Fig.2 Comparison between panchromatic image picture and CCD greyscale image

图3 圆柱为1 cm的流速矢量图Fig.3 Velocity vector for cylinder with diameter of 1 cm

图4 大涡模拟流函数计算结果Fig.4 Numerical result of stream function by large eddy simulation

图5给出圆柱直径为D=3 cm，来流流速为2.94 cm/s，水深12.6 cm，Re=773的流速等值线图及涡量图，图5-b中深色部分（等值线为虚线）对应负涡量，浅色部分（等值线为实线）对应正涡量。从中可以看出圆柱后低流速涡旋回流区，圆柱两侧流速受圆柱挤压而增大，圆柱两侧涡量有增强的趋势。

图6为Gerrard等［4］给出的Re=1 000时涡量图，与本次试验结果（图5-b）对比，可以看出二者大体一致。

图7给出了直径为1 cm圆柱情况下T=0 s到T=2 s的6个瞬时的CCD数字图像。6幅图代表了圆柱绕流涡旋脱落的一个周期。T=0 s时刻，圆柱左前方（沿水流方向观测）1D处从圆柱左侧已形成一个顺时针旋转的大尺度旋涡L1，发展得比较饱满，在该旋涡右前方为从圆柱右侧形成的逆时针旋涡R1。T=0.5 s时，两涡向下游移动，形状有所拉伸。T=1 s时刻，R1继续向下游移动并已经离开画面，L1明显向下游移动，同时右后方产生新涡R2。T=1.5 s时刻，圆柱左前方产生新涡L2。T=2.0 s时，左侧新涡L2发展到大致与T=0 s时刻L1相同的形状，完成了一个周期。

图5 圆柱为3 cm的实验结果Fig.5 Experimental results of cylinder with diameter of 3 cm

图6Gerrard等给出的Re=1 000时涡量图计算结果Fig.6 Velocity vector and vorticity contour by Gerrard

在近期的研究［5］中发现，随着雷诺数的增加，尾流区内旋涡形成的区域会逐渐向上游收缩。通过改变流速，得到圆柱直径为5 cm时对应3个不同雷诺数下的涡量图如图8所示。从图8中可以看出，随着雷诺数的增加，圆柱体两侧及下游形成旋涡的范围宽度变窄，旋涡形成的尾流区范围也明显向上游收缩。

图7T=0 s到T=2 s的6个瞬时流动状态所对应的CCD数字图像Fig.7 CCD images at 6 instantaneous time levels from 0 s to 2 s

图8 直径5 cm圆柱在不同雷诺数下的涡量图像Fig.8 Vorticity images for cylinder with diameter of 5 cm under different Reynolds number

3 结论

主要结论如下：

（1）将氢泡测流技术与数字图像分析方法相结合，设计了一套氢泡法流场显示装置，该装置可以较清晰给出圆柱背后涡街的发展过程图像；

（2）通过涡量分析，可以观察到尾流区随雷诺数增加而收缩的现象；

（3）观测到的流速量级与实际相符，但部分区域内的流速大小受观测时光学条件影响，要获得较准确的流速结果尚需更严格的遮光条件。

［1］Schraub F A，Kline S J，Henry J，et al.Use of hydrogen bubble for quantitative determination of time⁃dependent velocity fields in low⁃speed water flows［J］.Journal of Basic Engineering，1965，35：429-444.

［2］戴昌晖.流体流动测量［M］.北京：航空工业出版社，1991.

［3］苏铭德，康钦军.亚临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟［J］.力学学报，1999，31（1）：100-105. SU M D，KANG Q J.Large eddy simulation of the turbulent flow around a circular cylinder at sub⁃critical Reynolds numbers［J］. Acta Mechanica Sinica，1999，31（1）：100-105.

［4］Lin J C，Towfighi J，Rockwell D.Instantaneous structure of the near⁃wake of a circular cylinder：on the effect of Reynolds number［J］.Journal of Fluids and Structures，1995，9：409-418.

［5］张孝棣，蒋甲利.圆柱体绕流尾迹的PIV测量［J］.实验流体力学，2005（19）：74-78. ZHANG X D，JIANG J L.Measurement of cylinder′s wake by PIV［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2005（19）：74-78.

Application of hydrogen bubble DPIV technique in measurement of flow field around a circular cylinder

LI Shao⁃wu,TANG Yi⁃fu,ZENG Dong
(School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A particle image flow field observation system was designed to observe flow around a cylinder under different Reynolds number by combining hydrogen bubble tracer method and DPIV technique.Karman vortex street phenomenon was clearly observed from the images.Velocity vector,contour maps and vorticity graph were obtained by the software based on covariant⁃analysis algorithm.The vortex development around the cylinder in a pseudo⁃peri⁃od was discussed according to the images and calculation results.Experiment results show that the length of wake zone gradually shrinks with increasing Reynolds number.The experimental results of flow characteristics are basi⁃cally consistent with the published results of measurements by other methods.

hydrogen bubble method;DPIV technique;cylinder circuitous flow;flow field measurement

TP 311

A

1005-8443（2015）02-0181-04

秦淮河航道整治工程项目用地预审获批复

2014-11-24；

2014-12-12

李绍武（1962-），男，山东省莱州人，教授，主要从事河流及海岸动力学、港口规划及平面布置。Biography：LI Shao⁃wu（1962-），male，professor.

本刊从江苏省交通运输厅获悉，2015年2月27日，秦淮河航道整治工程项目用地预审获江苏省国土资源厅批复。秦淮河航道是江苏省“两纵四横”干线航道网规划的重要组成部分，是沟通长江和芜申线航道的重要航道。航道现状等级为四级、六级及以下，已难以满足船舶大型化以及水运货运量日趋增长的需求。整治工程项目按四级航道标准建设，整治航道里程约103.8 km，新建船闸一座，同时对碍航桥梁进行新（改）建，并建设必要的配套设施，总投资约49亿元。（殷缶，梅深）