氫氣泡DPIV技術在圓柱繞流流場測定中的應用

李紹武，唐一夫，曾冬

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

氫氣泡DPIV技術在圓柱繞流流場測定中的應用

李紹武，唐一夫，曾冬

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

將氫泡示蹤法與數字圖像分析技術結合，設計了一套粒子圖像流場觀測裝置，對不同雷諾數下的圓柱繞流流場進行了觀測。實驗中清晰觀察到圓柱繞流的卡門渦街現象。采用基于互相關算法的分析軟件對圖像進行處理，得到流速矢量圖、等值線圖及渦量圖。根據圖像及計算結果，分析了一個擬周期內圓柱后渦旋的發展、演化過程。實測結果表明，隨著雷諾數的增大，圓柱繞流近尾跡區長度逐漸縮短。將流動特性實測結果與相關文獻進行了對比，結果基本一致。

氫泡法；DPIV技術；圓柱繞流；流場測量

粒子圖像測速技術（PIV）是在流動顯示基礎上利用圖像處理技術發展起來的一種瞬態流動測量技術。它突破了單點測量技術的局限性，能在同一瞬時記錄下大量空間點上的速度分布信息，提供豐富的流場空間結構以及流動特性。氫泡粒子濃度高，分布均勻，配合激光片光源，可得到高質量的圖像，對于了解結構周圍流場性質十分有用。DPIV是PIV的數字化形式，示蹤粒子的選擇是DPIV技術中的重要問題，示蹤粒子應滿足可見度高和跟隨性好的要求。本實驗采用氫氣泡作為示蹤粒子，使用激光作為光源，設計一套DPIV裝置，進行圓柱周圍流場測量［1-2］，通過改變圓柱直徑和水流流速，得到不同雷諾數下的多組流場圖像，通過對圖像處理獲得流場信息。

1 實驗方法和設備

1.1 氫泡法DPIV技術的一般工作原理

數字粒子圖像測速技術（DPIV）的基本原理是在流場中撒布合適的“示蹤粒子”，用激光片光照射所測流場切面區域，通過成像記錄系統攝取兩次或多次曝光的數字粒子圖像，形成DPIV底片；再用數字粒子圖像相關法處理DPIV底片，獲得區域中數字粒子圖像的平均位移。通過某一粒子影像在兩幅圖像上的位置變化，并考慮實際流場與數字圖像之間的幾何比例關系，即可計算出示蹤粒子的運動速度，計算公式為

式中：Δx、Δy為粒子移動距離；Δt為采樣時間間隔；f為攝像機拍攝的幀頻；S為換算比尺。

1.2 實驗設備及參數

實驗裝置由實驗系統和采集系統兩部分組成，整個觀測系統如圖1所示。水槽、水泵、流量控制閥門及流量計構成水流循環系統，水槽長2.5 m，寬0.3 m，深0.35 m。水槽進水段設有整流網以保持來流均勻穩定，實驗段底部涂上黑色背景以便于觀測，圓柱垂直固定于水槽底部。氫氣泡發生裝置通過陰極電解水產生氫氣泡作為示蹤粒子，陰極采用直徑30 μm的鉑絲，橫向置于圓柱前方，與水面平行，陽極采用銅棒。陰極絲上產生的氫泡緩慢上升的同時隨水流向下游移動，用厚度0.5～1 mm的激光片光源水平照射可得到二維流動粒子圖像。

CCD相機采樣頻率為200 Hz，曝光時間為3 527 μs，單個像素尺寸為12 μm×12 μm。數據采用法國LEGI公司的UVMAT軟件包進行處理。軟件的相關窗口（CorrBox，x，y）為25×25個像素，查問窗口（SearchBox，x，y）為55×55像素，測量網格（Measure? ment Grid）設為30個像素，一幅圖像共可計算1 225個速度矢量。

圖1 實驗裝置簡圖Fig.1 Sketch of experimental apparatus

2 實驗結果與討論

試驗在天津大學港口工程試驗大廳完成。為了取得較好影像效果，試驗選在晚上無光照條件下進行。

圖2為全色圖與CCD圖像對比。由圖2-a可清楚地看到圓柱兩側因流速加大氫泡加速運動的現象及圓柱后方的漩渦。

圖3為圓柱直徑為D=1 cm，來流流速為1.47 cm/s，水深12.6 cm，Re=129時圓柱后流速矢量圖。圖4為蘇銘德采用大渦模擬給出的圓柱繞流流函數圖［3］。可以看出，在圓柱后方流場范圍內，流線近似呈周期性擺動狀，二者結果大體相似。

圖2 實驗拍攝全色圖片和CCD灰度圖像對比Fig.2 Comparison between panchromatic image picture and CCD greyscale image

圖3 圓柱為1 cm的流速矢量圖Fig.3 Velocity vector for cylinder with diameter of 1 cm

圖4 大渦模擬流函數計算結果Fig.4 Numerical result of stream function by large eddy simulation

圖5給出圓柱直徑為D=3 cm，來流流速為2.94 cm/s，水深12.6 cm，Re=773的流速等值線圖及渦量圖，圖5-b中深色部分（等值線為虛線）對應負渦量，淺色部分（等值線為實線）對應正渦量。從中可以看出圓柱后低流速渦旋回流區，圓柱兩側流速受圓柱擠壓而增大，圓柱兩側渦量有增強的趨勢。

圖6為Gerrard等［4］給出的Re=1 000時渦量圖，與本次試驗結果（圖5-b）對比，可以看出二者大體一致。

圖7給出了直徑為1 cm圓柱情況下T=0 s到T=2 s的6個瞬時的CCD數字圖像。6幅圖代表了圓柱繞流渦旋脫落的一個周期。T=0 s時刻，圓柱左前方（沿水流方向觀測）1D處從圓柱左側已形成一個順時針旋轉的大尺度旋渦L1，發展得比較飽滿，在該旋渦右前方為從圓柱右側形成的逆時針旋渦R1。T=0.5 s時，兩渦向下游移動，形狀有所拉伸。T=1 s時刻，R1繼續向下游移動并已經離開畫面，L1明顯向下游移動，同時右后方產生新渦R2。T=1.5 s時刻，圓柱左前方產生新渦L2。T=2.0 s時，左側新渦L2發展到大致與T=0 s時刻L1相同的形狀，完成了一個周期。

圖5 圓柱為3 cm的實驗結果Fig.5 Experimental results of cylinder with diameter of 3 cm

圖6Gerrard等給出的Re=1 000時渦量圖計算結果Fig.6 Velocity vector and vorticity contour by Gerrard

在近期的研究［5］中發現，隨著雷諾數的增加，尾流區內旋渦形成的區域會逐漸向上游收縮。通過改變流速，得到圓柱直徑為5 cm時對應3個不同雷諾數下的渦量圖如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著雷諾數的增加，圓柱體兩側及下游形成旋渦的范圍寬度變窄，旋渦形成的尾流區范圍也明顯向上游收縮。

圖7T=0 s到T=2 s的6個瞬時流動狀態所對應的CCD數字圖像Fig.7 CCD images at 6 instantaneous time levels from 0 s to 2 s

圖8 直徑5 cm圓柱在不同雷諾數下的渦量圖像Fig.8 Vorticity images for cylinder with diameter of 5 cm under different Reynolds number

3 結論

主要結論如下：

（1）將氫泡測流技術與數字圖像分析方法相結合，設計了一套氫泡法流場顯示裝置，該裝置可以較清晰給出圓柱背后渦街的發展過程圖像；

（2）通過渦量分析，可以觀察到尾流區隨雷諾數增加而收縮的現象；

（3）觀測到的流速量級與實際相符，但部分區域內的流速大小受觀測時光學條件影響，要獲得較準確的流速結果尚需更嚴格的遮光條件。

［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］戴昌暉.流體流動測量［M］.北京：航空工業出版社，1991.

［3］蘇銘德，康欽軍.亞臨界雷諾數下圓柱繞流的大渦模擬［J］.力學學報，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］張孝棣，蔣甲利.圓柱體繞流尾跡的PIV測量［J］.實驗流體力學，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項目用地預審獲批復

2014-11-24；

2014-12-12

李紹武（1962-），男，山東省萊州人，教授，主要從事河流及海岸動力學、港口規劃及平面布置。Biography：LI Shao?wu（1962-），male，professor.

本刊從江蘇省交通運輸廳獲悉，2015年2月27日，秦淮河航道整治工程項目用地預審獲江蘇省國土資源廳批復。秦淮河航道是江蘇省“兩縱四橫”干線航道網規劃的重要組成部分，是溝通長江和蕪申線航道的重要航道。航道現狀等級為四級、六級及以下，已難以滿足船舶大型化以及水運貨運量日趨增長的需求。整治工程項目按四級航道標準建設，整治航道里程約103.8 km，新建船閘一座，同時對礙航橋梁進行新（改）建，并建設必要的配套設施，總投資約49億元。（殷缶，梅深）