过渡流下近壁单方柱绕流的实验研究

谢福兴，翟少华，周 磊，喜冠南

（南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019）

1 引言

流体流过壁面会形成壁面边界层，边界层的发展依次经过三个阶段，分别是层流、过渡流和湍流［1］。在层流状态下，流体流动平稳并且均匀发展，传热性能较差；在过渡流状态下，流体流动不稳定，传热性能增强；在湍流状态下，流体流动无规则，传热性能总体较强，但趋势逐渐减弱。目前，换热设备正向小型且高效化方向发展，其流动状态也将进入层流状态。因此一般采用插入柱体的方式使柱体尾流的流动状态提前进入过渡流［2］，从而使换热器的换热效率得到提升。

目前，国内外学者对不同工况下的近壁柱体进行了一系列数值模拟与实验研究，文献［3］对于近壁单圆柱绕流进行了数值模拟，总结了不同雷诺数下其传热特性，并发现当Re位于（200～1200）之间时，会出现有规律的涡脱落现象；文献［4］采用γ-Re_θ和k-ωSST两种湍流模型，研究了在大雷诺数下方柱尾流的湍动能变化和速度分布，同时获得了方柱尾流的重构流场和低阶模态；文献［5］研究了单圆柱绕流在湍流状态下的流动情况，从而得出了圆柱绕流尾迹受是受壁面边界层厚度与间隙比影响的；文献［6］时对方柱的流场情况进行了实验研究，并且通过LDV发现了在雷诺数为（2.2×104）时，涡的大小与分布情况和方柱尾迹的速度分布规律；文献［7］对近壁圆柱绕流进行了数值模拟，他们利用LES方法，发现了当雷诺数为（1.31×104），间隙比为0.2和0.6时圆柱尾迹均成对称形态；文献［8］利用PIV实验的方法，对近壁方柱绕流湍流场的非定常特性进行了研究，探究了方柱尾流旋涡脱落的频率和形态在不同间隙比下的变化过程。

总的来看，近壁柱体绕流的研究大多集中于高雷诺数，即湍流状态下，对于过渡流状态下还缺乏详尽的实验研究。因此这里利用粒子图像测速系统（PIV）实验研究了近壁单方柱在不同雷诺数（Re=120、150、200）、不同间隙比（C/D=0、0.2、0.4、0.8、1.2）下的尾迹绕流特性。

2 实验装置介绍

2.1 实验台简介

开式循环水槽实验台实物图，如图1所示。开式循环水槽示意图，如图2所示。包括上水箱1、调速阀2、整流段3、大蜂窝器4、收缩段5、小蜂窝器6、试验段7如图3所示、过渡段8、水箱9、水泵10、下水箱11等，其（长×宽×高）为（4800×300×300）mm。实验段与过渡段水深约为260mm。水流从下水箱被潜水水泵抽至上水箱，流速通过隔膜阀控制，水流经过有大蜂窝器的整流段、收缩段，收缩段形状是通过三次方曲线拟合而得，用于流体的加速及整流。在收缩段与实验段之间另外放置小蜂窝器用于流体的二次整流，水通过实验段流过实验模型后，再流经过渡段，进入右侧水箱，最后由底部水管回流至下水箱，实现水流的整个循环过程。

图1 开式循环水槽实物图Fig.1 Physical Map of Open-Loop Recirculating Water Tunnel

图2 开式循环水槽示意图Fig.2 Schematic Map of Open-Loop Recirculating Water Tunnel

图3 开式循环水槽试验段Fig.3 Test Section of Open-Loop Recirculating Water Tunnel

2.2 PIV装置简介

本实验采用的是美国TSI公司生产的二维粒子图像测速仪，即Particle Image Velocimetry（PIV）。双频脉冲激光器、同步控制器、冷却器、CCD相机、以及图像处理软件等是粒子图像测速系统的主要组成设备，如图4所示。

图4 PIV测速示意图Fig.4 Schematic Map of Velocity Measurement about PIV

2.3 试验方法

在实验过程中，首先需要在水槽中加入示踪粒子（有较好光散射特性、较好追随性的直径约（13～14）μm的镀银玻璃球），然后依次打开实验设备，调节脉冲激光器，使其经导光臂打出垂直于水面的片状激光，同时调整相机位置、焦距、光圈等参数以观测到清晰的示踪粒子。随后在CCD 相机的拍摄区域内放置实验模型，并在激光水平面上放置刻度尺，调试相机焦距直到可以清晰看到刻度尺上的刻度，通过insight4g自带的标定软件完成标定工作。之后CCD相机拍摄激光照射区域，将相机收集到的图像信息实时传输到计算机，再利用Tecplot、Insight4G等软件进行后处理，得到相应的涡量图、速度场图。

2.4 实验模型简介

实验模型，如图5所示。雷诺数的计算公式为：

图5 实验模型示意图Fig.5 Schematic Map of Experimental Model

式中：U0—流体流速；D—方柱边长；υ—运动黏性系数。

方柱下底面至实验台壁面的高度为C，间隙比为C/D。方柱中心到上游流体进口距离Xup为700mm，到下游距离Xdown为4100mm，方柱边长D为15mm。本次实验在雷诺数Re为120、150、200，间隙比C/D为0、0.2、0.4、0.8、1.2这几种工况下，进行近壁单方柱的流动特性的研究。

3 结果分析

3.1 时均流线及速度场

近壁单方柱时均流线及速度场，如图6 所示。其中，Re为120、150、200，C/D分别为0、0.2、0.4、0.8、1.2。方柱流动特性的变化主要表现方柱尾流分离剪切层的变化、产生回流区域的形态以及涡的尺度变化。

图6 不同Re、不同C/D的方柱时均流线及速度场图Fig.6 Current Flow Line and Velocity Field Diagram of Square Columns with Different Re and Different C/D

在同一Re，不同C/D条件下，例如Re=200，当C/D=0时，方柱的下表面紧贴实验台壁面，水流经过方柱上表面在下游形成一个单侧剪切层，逐渐变成大的顺时针涡。涡的高度低于方柱边长，横向宽度与方柱长度大致相当；当C/D=0.2时，水流经过方柱表面产生双侧分离剪切层，上侧分离剪切层形成顺时针回流区，而方柱下表面与壁面间隙较小，下侧分离剪切层发展受到抑制，形成较小的逆时针回流区，两区域大致形成对称的涡对；当C/D=0.4时，间隙增大，下侧受到的抑制作用减小，下侧分离剪切层得到发展，产生回流区域增大；当C/D=0.8时，涡对受到壁面的影响继续减小，下侧分离剪切层继续发展，涡对趋于对称，高度逐渐高于方柱上表面，回流区逐渐增大，下游水流产生波动减小；当C/D=1.2时，与C/D=0.8时类似。总的来说，Re一定，C/D增大，双侧回流区会产生交替涡脱落现象，同样地，在其他Re条件下也表现出类似上述的特点。

在同一C/D，不同Re条件下，例如C/D=0.2，当Re=120时，水流经过方柱表面产生双侧分离剪切层，上侧分离剪切层形成较大的顺时针回流区，而下侧间隙较小，下侧分离剪切层发展受到抑制，产生较小的逆时针回流区，两区域形成大致对称的涡对，方柱下游水流产生波动；当Re=150时，下侧受到的抑制作用减小，逆时针回流区增大，与上侧顺时针回流区域大小相当，方柱下游水流的波动减小；当Re=200时，双侧回流区域均继续增大，方柱下游水流波动无明显变化，上侧回流区域高度高于方柱上侧表面。同样地，在其他C/D条件下也表现出类似上述的特点。

3.2 时均涡量场

流体速度矢量旋度由涡量表示。近壁单方柱时均涡量，如图7所示。其中，顺时针正涡由一色表示，逆时针负涡由另一色表示，颜色的深浅程度表示涡量强度的大小，涡量分布区域大小和涡量的强弱变化是方柱流动特性的主要表现。

图7 不同Re、不同C/D的方柱时均涡量图Fig.7 Time-Average Vorticity Diagram of Square Columns with Different Re and Different C/D

在同一Re，不同C/D条件下，例如Re=200，当C/D=0时，方柱的下表面紧贴壁面，水流经过方柱表面在上侧形成单侧分离剪切层；当C/D=0.2时，水流经过方柱形成双侧分离剪切层，上侧分离剪切层逐渐发展，形成了顺时针正涡，涡量强度增大，而下侧间隙较小，下侧分离剪切层的发展受到抑制，形成了涡量强度较小的逆时针负涡，下游水流出现波动；当C/D=0.4时，上侧涡量强度增大，下侧间隙增大，受到的抑制作用减小，下侧分离剪切层慢速发展，负涡尺度增大，下游水流的波动减小；当C/D=0.8时，上侧分离剪切层继续发展，正涡的涡量和尺度增大，下侧几乎不受抑制，下侧分离剪切层逐渐发展，负涡离方柱中心更近，双侧涡对逐渐对称；当C/D=1.2时，与C/D=0.8时类似，两侧尾流涡分布区域继续增大，双侧涡对完全对称，涡量强度以及尺度相当。总的来说，C/D增大，上侧剪切层的涡量分布减小、强度增加，而下侧剪切层的涡量分布和强度都增大。同样地，在其他Re条件下也表现出类似上述的特点。在同一C/D，不同Re条件下，例如C/D=0.2，当Re=120时，水流经过方柱表面，形成双侧分离剪切层，上侧顺时针正涡尺度较大，下侧间隙较小，产生了尺度较小的逆时针负涡，涡产生在方柱下游，离方柱较远，下游水流出现波动；当Re=150时，两侧的涡量及涡分布区域增大，下游水流有波动；当Re=200时，两侧的涡量强度均增大，正涡尺度减小，而负涡尺度增大，下游水流波动增大，两侧涡对趋于对称。总的来说，Re增大，双侧涡量强度及涡的分布区域均增大。同样地，在其他C/D条件下也表现出类似上述的特点。

3.2 时均截面速度

为了进一步研究方柱绕流时均特性，对300组数据进行时均处理，取X/D=1.5、3、4.5三个截面位置，在Re＝120、150、200时，对不同C/D的方柱截面速度进行分析，如图8所示。方柱流动特性的变化主要表现为涡相对于其他位置的截面速度变化趋势。

图8 不同Re、不同C/D的方柱截面速度图Fig.8 Sectional Velocity Diagram of Square Columns with Different Re and Different C/D

当C/D相同时，在Re不同的条件下，方柱绕流截面速度特点相似。当C/D=0时，在X/D=1.5的截面处，靠近壁面的流速趋近于0，在X/D=3、4.5截面处，靠近壁面的流速呈现较大的正值；当C/D=0.2时，在X/D=1.5截面处，方柱下侧间隙较小，抑制了下侧剪切层的发展制，方柱下游有细小水流通过，导致近壁面水流速迅速增加，在X/D=3、4.5截面处，下侧分离剪切层得到发展，只能在有限范围内加速运动，近壁面水流速下降；当C/D=0.4 时，在X/D=1.5、3截面处，近壁面流速稍微增加，在X/D=4.5截面处，近壁面流速略微减小。与C/D=0.2时相比变化不大；当C/D=0.8时，在X/D=1.5、3、4.5截面处，近壁面流速均有明显增加，壁面对方柱尾流影响继续减小，方柱尾流速度明显增加，且加速运动区域持续变大，与上述涡远离方柱表面一致；当C/D=1.2时，在X/D=1.5、3、4.5截面处，近壁面流速小幅度增加至临界值，此时双侧分离剪切层的速度相当，双侧涡大致对称。

4 结论

这里通过粒子图像测速方法（PIV）对过渡流下近壁单方柱尾迹绕流的流动特性进行了实验研究。实验结论总结如下：（1）Re、C/D对方柱的速度场、涡量场等有明显影响。Re主要影响速度矢量旋度的大小及涡的分布区域。C/D主要影响实验台壁面与方柱的相互作用，导致下侧分离剪切层及涡的形态变化。（2）随着Re的增大，方柱尾流处的涡尺度及速度矢量旋度均增大。当Re=200时，方柱绕流的流动特性受间隙比的影响较明显。（3）随着C/D的增大，方柱尾流由单涡逐渐变为对称的涡对，同时尺度逐渐减小。当C/D=0时，随着Re的增大，涡的再附着点会逐渐向方柱靠近；当C/D＜0.8时，实验台壁面与方柱的相互作用比较明显，方柱下游的流体扰动较强；当C/D＞0.8时，实验台壁面与方柱的相互作用较弱，壁面对涡的特性影响极小，方柱尾流处形成大致对称的涡对。