过渡流下异管径三圆柱绕流的可视化实验

唐炼蓉，彭婧华，喜冠南

（南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019）

1 引言

基于换热器向小管径的发展趋势，为了协调管径细小化造成的影响，在换热器中可能会出现不等直径的管束布置形式。为了阐明不等直径管束列绕流的流动特性对传热强化的影响，对异管径三圆柱列绕流进行了可视化实验研究。

关于异管径圆柱，国内外学者进行了数值模拟研究和实验研究。文献[1-2]采用Fluent软件，在雷诺数Re=200时，不同中心距和直径比情况下，对串列布置的不等直径双圆柱的绕流问题进行了数值模拟研究。文献[3]在Re=55、90、100、120、150和200时，利用覆盖网格分区算法进行了数值模拟研究，在主圆柱尾流场的适当位置放置小圆柱，研究其流动特性和从属小圆柱对主圆柱绕流的影响。文献[4]在Re=100和200时，对串列双尺度圆柱的绕流换热进行了二维瞬态数值模拟研究。文献[5]对直径比恒定保持为2/3，中心距从1.2D变化到5D，雷诺数从1200变化到4800的不等直径串列双圆柱的流动特性进行了实验研究。文献[6-7]对三圆柱在不同入射角和不同间隔比下的旋涡脱落频率以及流场干扰模式进行了实验研究。文献[8]用有限元法对不等直径三圆柱的二维绕流进行了数值模拟研究。

总体来说，关于异管径圆柱列的研究主要是集中于数值模拟研究，实验研究相对较少，缺乏实验验证；关于过渡流下的多圆柱列研究也多集中于等直径圆柱[9-10]。针对以上情况，选取雷诺数为120、150和200的工况，对不同横向中心距Ps的异管径三圆柱绕流进行了可视化实验研究。

2 实验设备介绍

2.1 实验台简介

实验采用开式循环水槽实验台，主要由上水箱、下水箱、水泵、整流段、收缩段、实验段、过渡段等组成，如图1所示。实验采用水为介质，采用水泵9将水抽至上水箱1；通过调速阀2调整流速，改变雷诺数，继而流入整流段3；在整流段设置蜂窝整流器4来减小水流冲击，流进收缩段5；收缩段采用比例为3：1的三次方曲线的收缩形态，在加速流体的同时能够实现流场的稳定；随后水流入实验段6，流过实验模型，经过过渡段7；过渡段与实验段长度比为3：1，对水流起到缓冲作用，减小回流对实验段造成的影响；最后水流入右下水箱8，利用下端水管流回左下水箱10，实现水流的循环流动。

图1 开式循环水槽实验台示意图Fig.1 Schematic Map of Open-Loop Recirculating Water Tunnel

2.2 PIV测速系统简介

本实验采用美国TSI公司的二维粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry，即PIV），如图2所示。测速系统主要由示踪粒子、双脉冲激光源、冷却器、CCD相机、同步器及图形处理软件等部件构成。脉冲激光源通过导光臂发出平行于水槽底部的片光源，CCD相机镜头高悬于试验段正上方，与片光源垂直。将CCD相机拍摄的图像传输到计算机中，经过Insight 4G软件进行后处理得到瞬时速度矢量。本实验中采用的示踪粒子是镀银空心玻璃球，粒径为（0.001～0.0015）mm（平均值为0.0013mm），具有良好的跟随性和光散射性，满足图像采集中对粒子准确的捕捉。

图2 PIV测速系统组成图Fig.2 Schematic Map of Velocity Measurement about PIV

2.3 实验模型简介

本次实验的实验模型，如图3所示。

图3 实验模型示意图Fig.3 Schematic Map of Experimental Model

在上游布置两个与水流方向在同一垂直面上的等直径圆柱，在下游布置一个直径小于上游圆柱且在其中垂线上的小圆柱。上游圆柱直径D=10mm，下游圆柱直径d=6mm，纵向中心距PT=3D且保持不变，横向中心距Ps取2D，3D，4D，5D，6D，U0方向为来流的速度方向。

3 实验结果与分析

为研究不同雷诺数Re，不同横向中心距Ps对异管径三圆柱绕流的影响，结合时均涡量、时均速度相关量和时均速度截面对不同工况下的时均流动特性进行了分析，从时均的角度出发研究流动特性具有一般性。

3.1 时均涡量场

涡量是一个整体参数，表征测量涡的强弱。不同Ps，不同Re时的时均涡量场图，如图4所示。一种颜色代表以逆时针运动的正涡量，另一种颜色代表以顺时针运动的负涡量。云图颜色的深浅表示涡量强度。不同Ps，不同Re时的整体涡量场都关于上游两圆柱X方向的中心线对称。

图4 不同Ps，不同Re时的时均涡量场图Fig.4 Time-Mean Vorticity Contours for the Case of Different Distances at Different Reynolds Numbers

当Re一定，Ps不同时，上下游圆柱尾流都呈现出尺寸相当的正负涡。Ps=2D、3D时，上游大圆柱尾流受到下游小圆柱的影响，导致上游大圆柱尾流的正负涡整体向上和向下倾斜。随着Ps增加到4D、5D和6D时，下游小圆柱对上游大圆柱尾流的影响逐渐减小到几乎忽略不计，上游大圆柱尾流的正负涡呈现出对称规律。随着Ps变化，上下游圆柱尾流附近的涡量强度变化不明显，但在Ps从2D逐步变化到4D过程中，上游圆柱尾流涡量尺寸逐步减小。当Ps增加到5D，6D时，上下游圆柱尾流的涡量尺寸与Ps=4D时大致相同。这是由于在同一Re下，Ps从2D逐渐增加到4D的过程中，上下游圆柱尾流附近的速度矢量逐渐减小，Ps增加到6D时，速度矢量变化趋于稳定，并且尾流的汇流长度逐步缩短。在其他Re下也呈现出上述相同的特性。

当Re不同时，Ps=2D，3D时，上游大圆柱尾流同样出现向上倾斜的正负涡。随着Re从120逐步增加到200，流速增大，上下游圆柱尾流附近的涡量强度都逐步增大，而涡量尺寸在逐渐减小，但在Ps=2D和3D时变化明显，在Ps=4D、5D和6D时，上下游圆柱的涡量尺寸大致相同。这是由于在同一Ps下，随着Re 从120逐步增加到200，上下游圆柱尾流附近的速度矢量逐渐增大，并且尾流的汇流长度逐步缩短。在其他Ps下也呈现出上述相同的特性。

3.2 时均速度相关量

速度相关量是X、Y方向上的速度u、v的速度脉动关联量。云图颜色的深浅代表速度相关量的大小，表征流动不稳定性的强弱。不同Re，不同Ps下所有的速度相关量基本都呈现出关于上游两圆柱X方向中心线对称的趋势。

不同Ps，不同Re 时的时均速度相关量图，如图5 所示。当Re一定时，随着Ps从2D逐步增加到6D，上游大圆柱尾流的速度相关量逐步增大，下游小圆柱尾流的速度相关量逐步减小。当Ps一定时，随着Re的增大，上游和下游圆柱尾流的速度相关量值都逐步增大的趋势。

图5 不同Ps，不同Re时的时均速度相关量图Fig.5 Time-Mean Reynolds Stress Contours for the Case of Different Distances at Different Reynolds Numbers

当Re=120、150，Ps=2D时，上游大圆柱尾流的速度相关量相对下游小圆柱尾流来说要小得多，流动呈现稳态，这是下游小圆柱对上游大圆柱尾流进行了一定的整流所造成的。Ps增加至3D时，上游大圆柱尾流的速度相关量增大，并随Ps进一步增加没有明显变化，这是当横向间距增加至3D时导致上游大圆柱尾流不稳定性加强，整流效果不明显的结果。然而，当Re=200 时，Ps=2D时，流速的增大使得下游小圆柱对上游大圆柱整流效果不明显。

3.3 速度截面分布

为了研究流体经过上游大圆柱后对下游小圆柱来流速度所造成的影响，对400组数据时均化处理后，对Re=120、150和200，不同Ps时的不同速度截面进行分析，截面位置包括了X/D=0，1，2，3，4，5，6，7.5，如图6所示。

图6 不同Ps，不同Re时的速度截面分布Fig.6 Time-Mean Velocity in Cross Section for the Case of Different Distances at Different Reynolds Numbers

在所有速度截面图中的X/D=0处，上游两大圆柱之间的流体速度大约为（0.5～1）倍U0，表明上游两圆柱之间的流体速度已经被加速。

当Re一定时，随着Ps的增大，下游小圆柱前截面的速度波动越来越小，下游小圆柱前的速度也越来越小，降低了有效雷诺数。

当Ps一定时，随着Re的增加，上游两圆柱之间流体的加速效应增强。但Ps增加到4D、5D和6D时，随着Re的改变，下游小圆柱前后的速度截面分布没有明显的改变，此时上游两圆柱之前的流速加速效应对下游小圆柱的影响已经很小，圆柱尾流的速度基本回复。

4 结论

采用二维粒子图像测速系统（PIV）对过渡流下异管径三圆柱绕流的流动特性进行了实验研究。在测量范围内总结实验结论如下：

（1）在不同雷诺数和不同横向中心距的工况下，异管径三圆柱列的流场基本呈现出关于上游两圆柱X方向的中心线对称。

（2）随着横向中心距和雷诺数的增加，上下游圆柱尾流的涡量尺度逐渐减小至基本不变。上游大圆柱尾流的速度相关量逐渐增大至不变，下游小圆柱尾流的速度相关量从大变小至不变，说明上下游圆柱的互相作用逐渐减弱。

（3）横向中心距在一定范围内对上下游圆柱尾流产生影响。

根据这里所研究的工况，在Ps＜3时，上游大圆柱对下游小圆柱尾流影响较大，加速效应明显；在Ps＞3时，上游大圆柱对下游小圆柱尾流的影响较弱，下游小圆柱尾流出现明显的速度回复。