波浪水槽中振動格柵湍流特征的實驗研究

馬洪余,戴德君,喬方利,蔣暑民

波浪水槽中振動格柵湍流特征的實驗研究

馬洪余1,2,3,戴德君2,3*,喬方利2,3,蔣暑民2,3

(1.中國海洋大學 海洋與大氣學院,山東 青島266100;2.海洋環境科學和數值模擬國家海洋局重點實驗室,山東 青島266061;3.國家海洋局第一海洋研究所,山東 青島266061)

在波浪水槽中采用格柵振動的方式產生湍流,研究振動格柵產生湍流的特征。本文開展了4類實驗,調節測量點到格柵平均位置的距離、格柵振動頻率、振動沖程,采用ADV測量水體中單點的脈動速度。實驗結果顯示,湍流強度在一定范圍內隨離格柵距離的增大而逐漸減小,隨著振動頻率的增大而呈冪指數增大,隨著振動沖程的增大而呈冪指數增大。同時還比較了兩個不同格柵產生湍流的不同。結果顯示,在波浪水槽中,振動格柵產生湍流的強度還與格柵的長度尺寸有關,這與在水箱中振動格柵產生湍流的特征不同。

波浪水槽;振動格柵;湍流

1 引言

湍流是海洋中的重要物理過程,它對大洋環流,海氣之間的動量、熱量和物質交換以及生物過程等都有重要影響。在真實的海洋中湍流總是由流剪切、波浪破碎、對流等過程產生,湍流過程比較復雜,并與其他物理過程共同存在,對湍流很難有比較清楚的認識。為了對湍流特征能夠有比較清楚的了解,已開展大量的室內實驗,在水箱中用振動格柵、射流泵產生均勻各向同性湍流,研究湍流特征,進而研究湍流與泥沙運動的相互作用[1]、湍流對氣泡分布規律的影響、污染物擴散等問題。

自從1939年Rouse[1]第一次采用振動格柵產生湍流研究泥沙懸浮以來,Rouse和Dodu[2]也采用振動格柵產生湍流的方式研究兩層流體的湍流混合,繼而圍繞著振動格柵產生湍流開展了大量的研究工作,并且更多生成湍流的方式也被相繼提出。在實驗室水箱中產生湍流的方法主要有兩種:一種是單一平面能量源產生湍流[3-7],例如,振動格柵和隨機射流陣,可產生二維均勻、各向同性湍流,但由于垂直方向湍流的衰減,無法產生三維的、均勻且各向同性湍流[8];另一種對稱能量源產生湍流[9-17],例如,對稱射流陣組成的對稱系統,對稱振動格柵,圍繞對稱中心區域在水箱的8個角落安裝噴嘴等,在對稱區域(中心區域或者平面)產生均勻、各向同性湍流,且平均流較小,其缺點是質量最好的湍流位于中心區域,此湍流不能用來研究邊界處的湍流特征。在實驗室水箱中產生湍流的優點是,可以重復產生穩定的、同一強度的、均勻的、近似各向同性湍流。

在水箱中,由單一平面能量源產生湍流,在與平面能量源平行的二維平面上湍流是均勻且各向同性的,而在垂直于平面的方向上wrms/urms＞1,其中wrms和urms分別是垂直和水平流速分量的均方根,不均勻也不具有各向同性特征,且在垂直于平面的方向上湍流是逐漸衰減的。已有研究指出[4,6,18],振動格柵產生湍流wrms/urms∈[1.1,1.4]。Variano和Cowen[7]研究發現由射流陣產生湍流,wrms/urms=1.27。而由對稱系統可以在中心區域產生三維均勻、各向同性湍流[19-22]。

振動格柵產生湍流,湍流強度u'與格柵沖程S、振動頻率f、到格柵平均位置的距離z和網孔大小M有關系。其關系式為u'=C1S3/2M1/2f z-1,其中C1有不同的取值,C1≈0.25[4],C1≈0.22[6]。水體自由表面對湍流有影響,影響區域從z=-15 c m開始直至水體自由表面[23],在評價湍流強度時,上述關系式在此區域不適應。

平均流的存在,對水體混合和輸運有顯著影響,然而在水箱中由振動格柵產生湍流時,平均流的產生是不可避免的[7],且以下幾個因素更有助于平均流的增強:格柵條占整個格柵面積大于40%[24],網格邊界的不對稱性[25-26],大的振動沖程[27],振動頻率大于7 Hz[18,21],因此,要獲得平均流較小的湍流,需要調節振動格柵的各個參數。為比較不同方式產生湍流時平均流的強度,定義=/urms,衡量平均流的大小,其中表示速度分量u的時間平均。Variano等[19]研究結果指出,振動格柵產生湍流的典型情況0.25,最好的情況0.1,最差的情況＞1。Variano和Cowen[7]的研究由射流陣產生湍流,給出0.07。而對稱系統比單一振動格柵產生的平均流要小,Hwang和Eaton[16]的實驗結果為=0.02。

已有研究,在水槽中產生湍流的工作很少,王得祥等[28]在水槽中利用振動格柵產生湍流,但其振動格柵安裝在水槽一端,通過振動裝置,使得格柵往復運動產生湍流,研究了湍流強度與格柵振動頻率的關系,以及湍流強度與到格柵平面距離的關系,對湍流的均勻性和平均流等特征沒有過多的研究。

綜上所述,湍流的產生和特征研究多數是在水箱中開展,而在水槽中產生湍流并研究其特征的工作較少。波-湍相互作用已有大量的實驗室實驗研究工作,然而,在已有的室內實驗工作中,波浪由造波系統生成,而湍流卻沒有很好的辦法產生。Thais和Magnaudet[29]是用吹風的方式產生湍流,這樣卻很難認識背景湍流場的強度。因此,采用合適的方法在水槽中產生背景湍流,研究湍流的特征,是很有必要的。本文將振動格柵架設于波浪水槽上方,通過格柵的上下振動產生湍流,研究不同格柵振動頻率、振動幅度以及格柵長度下湍流的特征,為后續波-湍相互作用研究奠定基礎。

2 實驗設置

國家海洋局第一海洋研究所風-浪-流多功能實驗水槽于2012年建成并投入使用,其長45 m,寬1 m,高1.8 m,最大水深1.2 m,本實驗在此水槽中開展。在水槽的中間位置選擇一段為實驗段,將振動格柵的變頻電機架設于獨立于水槽的支架之上,格柵通過連接桿與電機的偏心輪連接,格柵則浸入到水體中,電機轉動帶動偏心輪旋轉,既而帶動格柵上下振動,如圖1所示。這種架裝方式有效地把格柵與水槽分開,可以防止電機振動通過邊壁傳遞到水槽的水體中,進而消除對格柵振動產生湍流的影響。格柵沿水槽方向的邊緣距離水槽邊壁為4 c m,而垂直于水槽方向的格柵邊緣是開闊的。實驗過程中水槽水深為1.2 m,格柵平均位置水深為47 c m。

格柵為長方形,由不銹鋼板打孔構造而成,孔的邊長為5 c m×5 c m,孔與孔的中心距離為6 c m,格柵條的寬度為1 c m,不銹鋼板的厚度為3 mm,邊長為91 c m×295 c m,格柵條的面積與格柵總面積之比約為31.6%,即小于40%,滿足產生穩定均勻湍流的條件[24]。格柵振動時,在格柵的背面會產生射流和尾跡流,這些射流和尾跡流向外延展,相互合并,但不偏離它們的軸線,逐漸失去平均動量,在離格柵一定的距離之后形成均勻的湍流。當此數值大于40%時,格柵振動產生的射流會偏移并且與其他射流合并形成更強的射流,從而形成平均流,影響產生湍流的質量。振動格柵產生湍流的強度與振動頻率和格柵沖程有關,本實驗中通過調節變頻電機調節振動格柵的頻率,設定振動頻率為1 Hz、2 Hz和3 Hz,小于7 Hz[18],通過調節偏心輪來調節格柵振動的幅度,設定振動沖程為3 c m、5 c m和7 c m。格柵上下運動時,在距格柵平均位置大于2～3倍格柵孔徑的距離處[30],形成近似各向同性湍流。

圖1 振動格柵和實驗設置示意圖Fig.1 The diagram of the oscillating grid and laboratory setup

利用聲學多普勒流速儀ADV(Nortek小威龍一代)測量水體的脈動速度,獲得單點的三維流速(u,v,w),其中u表示沿水槽方向的水平流速,v表示垂直于u方向的水平流速,而w表示垂向流速,其最高采樣頻率為200 Hz,在本實驗中采用128 Hz進行采樣,測量精度為(測量值的±0.5%)±1 mm/s。測量點為一圓柱體,直徑為6 mm,高度為3～15 mm。測量點位于格柵平面的中心位置,通過調節ADV探頭的深度獲得湍流的垂直剖面速度。

ADV在獲得單點的速度場時,同時也獲得反向散射的聲學信號強度和連續pings的相關性[31],這兩個參數用來診斷ADV的數據質量。信號強度依賴于散射體的密度[32],散射體較少時,反向散射信號強度較弱,速度信號不可靠。在采樣體積內,流體速度有擾動或者有剪切[33],或者在相鄰pings時散射體離開采樣體積時[34],相關性較低;在水體中含有大量氣泡[35]和采樣體積接近海底時(一個采樣體體積的寬度)[36-37]同樣導致相關性較低,低相關性導致不精確的速度測量[31]。因而在處理ADV數據時需要對測量數據進行質量控制,主要有3種方法:方法1,用ADV的速度值去除野點(比標準差大一定倍數,加速度超過閾值);方法2,相空間質量控制方法[38-39];方法3,信號強度和相關系數方法。在處理本實驗由ADV獲得的數據時,需要先對數據做質量控制,在本文中采用方法1對數據進行數據處理,然后再對數據做相應的分析。

3 實驗結果

利用ADV獲得單點三維流速場(u,v,w),以水平速度分量u(x,t)為例,將其分解為時間平均速度u(x)與脈動速度u'(x,t),并以速度的均方根大小評價湍流的強度[7],

同時研究湍流強度隨深度的變化關系,以及與格柵振動頻率、格柵沖程的關系,湍流的均勻性、各向同性特征及平均流大小等。

本文共開展了4類實驗:實驗1,湍流強度隨深度變化實驗;實驗2,湍流強度隨振動頻率變化實驗;實驗3,湍流強度隨沖程變化實驗;實驗4,兩個格柵的比較實驗,如表1所示。

表1 實驗及參數設置Tab.1 Experimental design

3.1 實驗1湍流強度隨深度變化實驗

格柵上下振動產生湍流,格柵沖程為5 c m,振動頻率為3 Hz,連續向上移動ADV,每次移動4 c m,共計獲得5個不同深度位置,在分析湍流強度隨深度變化的規律之前,先分析湍流的均勻性和平均流等特征。

格柵在水平面以下平均水深為47 c m的位置上下振動產生湍流,隨著到格柵距離的增加,湍流強度逐漸減弱。從湍流速度3分量的功率譜可以清晰的看出湍流的均勻性和湍流強度。圖2給出了湍流速度3個分量的功率譜,從譜上可以清晰的看到,水平方向兩分量u和v的功率譜線基本重合,即在水平方向上湍流強度一致,湍流均勻;而垂直分量w的功率譜線顯著低于水平方向u和v的功率譜線,即垂向的湍流強度比水平方向的湍流強度弱,這與在水箱中格柵振動產生湍流的特征wrms/vrms＞1是不一致的。而在w分量的功率譜上還有一個顯著的特征,即在3 Hz處有一個鋒值,此表示水體有一3 Hz的垂向運動,此即是格柵的上下振動,此特征與?l mez和Milgram[40]的實驗結果相同。

格柵振動產生湍流,不可避免的產生平均流,用10 min速度場的平均作為平均值,用U/urms衡量平均流的大小,得出U/urms≈0.18,與Variano等[19]的研究結果接近。

分析湍流強度隨深度變化的規律,由圖3a可知,湍流強度隨著到格柵距離的增大,先減小,這符合格柵振動產生湍流的規律,然后再增大,這不符合格柵振動產生湍流的特征。分析其原因是,在波浪水槽中,格柵振動產生湍流的區域沿水槽方向是敞開的,從而導致湍流在水平方向上傳遞,且傳遞到格柵振動區域以外的水體中,在垂直方向傳遞減小,進而導致在垂直方向遠離格柵的位置處湍流的特征變差,反而增多了一些大尺度的平均流動,再用簡單的時間平均方法去掉平均值得到湍流時,已不能準確的分離出湍流脈動速度,導致湍流強度增大。

在計算湍流強度時,需要減去一個平均值,圖3a所示結果是減去10 min速度場的平均值,從結果可以看出,10 min速度的平均值,不能很好地代表流體的平均運動。因為在10 min的速度中,包括了低頻的流體運動,用簡單的時間平均,不能很好地去掉這種低頻的平均運動,從而導致計算湍流強度的增大。本文試圖對上述相同的速度分量u采用滑動平均的方法,將這種低頻的平均運動濾掉之后再計算湍流強度,滑動窗口的大小取為128×10+1(1 281),約10 s,結果如圖3b所示。

圖2 湍流速度3分量的功率譜Fig.2 The power spectra of turbulent velocity three components

圖3 實驗1中湍流強度隨深度變化規律,其中u的平均值由時間平均(a)和滑動平均(b)獲得Fig.3 The turbulence strength changes with depth,where the mean value of u is computed through ti me average(a)and s mooth average(b)respectively in experi ment 1

由圖3b可知,在采用滑動平均方法去掉平均值以后,湍流強度隨著到格柵距離的增大而減小,即從深度32.2 c m,到28.2 c m,再到24.2 c m,湍流強度逐漸減小,且符合冪指數為負數的冪函數衰減規律,其冪函數擬合曲線為:urms=3.75(47-D)-0.53,其中D表示測量點深度,與圖3a所示結果不同。在圖3a中,湍流從深度32.2 c m到28.2 c m是減小的,但是到24.2 c m湍流強度沒有變化,可見低頻運動對湍流強度的評價有影響,且隨著到格柵距離的增大,這種低頻的流動會更顯著,所以在20.2 c m和16.2 c m的深度上,即便采用滑動平均的方法,湍動強度依然沒有衰減,而是增大。

3.2 實驗2湍流強度隨振動頻率變化實驗

在不同深度,隨著格柵振動頻率增加湍流強度有相似的變化規律,因此可以任意選取一深度處ADV測量值,分析湍流強度隨頻率的變化特征,這里選擇水深為28.2 c m,格柵沖程為5 c m,振動頻率分別設置為1 Hz、2 Hz、3 Hz,以水平速度分量u為例,分析湍流強度隨頻率的變化規律,結果如圖4所示。從圖4可以看出,湍流強度隨格柵振動頻率的增大而增大,但與振動頻率并不是線性增大關系,而是以冪次小于1的冪函數增大,其冪函數擬合曲線為:urms=0.48f0.71。格柵振動頻率增大,格柵向水體提供更多的能量,自然產生的湍流強度相應增強,但隨頻率增大的關系卻不同。此實驗是在兩端敞開的水槽中產生湍流,其湍流強度隨頻率的變化特征是以冪次小于1的冪函數增大,而在水箱中湍流強度隨頻率線性增大[4],分析其原因是,在水槽中,沿水槽方向格柵兩端是敞開的,湍流向格柵影響之外的區域擴散,而在水箱中則不會,從而導致與水箱中的湍流特征略有不同。

圖4 實驗2湍流強度隨格柵振動頻率的變化規律Fig.4 The variation of turbulence strength with frequency in experiment 2

3.3 實驗3湍流強度隨格柵沖程變化實驗

ADV測量點到格柵平均位置的距離為18.5 c m,即水深28.5 c m,格柵振動頻率設為2 Hz,格柵振動沖程為3 c m、5 c m和7 c m,分析湍流強度urms隨格柵振動沖程S的變化規律,結果如圖5所示。

格柵沖程是格柵上下振動時其最高位置與最低位置之間的距離,在一個周期內完成兩個沖程過程。從圖5可以看出,隨著格柵沖程的增大,湍流逐漸增強,且不是線性增強,而是以冪次大于1的冪函數增強,其冪函數擬合曲線為:urms=(0.125S)2.6+0.63,這與在水箱中格柵產生湍流的特征相似?？梢姼淖兏駯艣_程,可以有效地改變格柵振動產生湍流的強度。

圖5 實驗3湍流強度隨格柵振動沖程的變化規律Fig.5 The variation of turbulence strength with strokes in experiment 3

3.4 實驗4兩個格柵的比較實驗

構造兩個格柵,一個是前文所述長方形格柵;另一個是正方形格柵。正方形格柵由相互垂直的格柵條構成,格柵條的截面尺寸為1 c m×1.5 c m,格柵邊長為91 c m×91 c m,厚度為1.5 c m,格柵孔為邊長5 c m×5 c m的正方形,相鄰格柵孔中心的距離為6 c m,格柵條面積與總格柵面積之比為32.1%,小于40%。兩個格柵的相同點是,格柵的孔徑都為5 c m×5 c m的正方形,格柵條的寬度為1 c m,即相鄰兩個孔中心的距離為6 c m。不同點是,長方形格柵的一個邊較長是295 c m,此格柵振動時,會擾動更多水體;長方形格柵由不銹鋼板打孔而成,由于只是一塊薄板,其強度不夠,容易彎曲、變形,故在不銹鋼板的背面加有支柱,而正方形格柵是由厚度為1.5 c m的格柵條構成;格柵條與整個格柵的面積比,兩個格柵略有不同。

測量點到兩個格柵的平均位置都為18.5 c m,兩個格柵的沖程為5 c m,調節格柵振動的頻率1 Hz、2 Hz、3 Hz,比較兩個格柵產生湍流的強度。

在水箱中,由格柵振動產生湍流,其湍流強度與到格柵平均位置的距離、格柵振動頻率、格柵振動沖程、孔心距這4個量有關,如果這4個量相同,湍流強度至多相差一個常數倍[4,6]。在此比較實驗中,這4個量都相同,然而產生的湍流強度卻不同,如圖6所示,在振動頻率為3 Hz時,正方形格柵產生湍流的強度大于長方形的2倍,并且它們隨振動頻率的變化趨勢也不同,長方形格柵湍流強度隨格柵振動頻率增加的比較緩慢,而正方形格柵湍流強度隨振動頻率增加的比較迅速。

圖6 實驗4兩不同格柵(長方形格柵(○)和正方形格柵(□))湍流強度隨格柵振動頻率的變化規律Fig.6 The variation of the turbulence strength with frequency of t wo grids:the rectangle grid(○)and the square grid(□)in experi ment 4

圖7 顯示了兩個格柵振動頻率為3 Hz時,分別獲得的10 min水平速度分量u的時間序列。從圖7可以看出,正方形格柵振動時,u變化比較劇烈,主要表現在低頻的大幅度振動,主要原因是正方形格柵在沿水槽方向只有91 c m,且在此方向上兩端是敞開的,水體比較容易進出格柵振動影響的區域,從而產生低頻的大振幅流動,湍流強度較大;而長方形格柵的u,低頻振動的振幅較小,在±4 c m/s之間,顯然湍流強度較小,其原因是,長方形格柵沿水槽方向有295 c m,格柵影響的區域較長,我們的測量點位于格柵的中心位置,不易產生低頻的大振幅流動。分別選取3 s的水平速度分量u,仔細比較其高頻振動,發現正方形格柵u的振幅為0.16 c m/s比長方形格柵的0.28 c m/s要小。

圖7 兩不同格柵(長方形格柵(a)和正方形格柵(b))沖程為5 c m、頻率為3 Hz時,速度分量u的時間序列Fig.7 The series of velocity co mponent u changes with ti me when t wo different grids(a indicates the rectangle grid and b indicates the square grid)vibrate with 5 c m strokes and 3 Hz frequency

而在振動頻率為1 Hz時,正方形格柵的湍流強度要比長方形格柵湍流強度小,原因是,在振動頻率為1 Hz時,兩個格柵的低頻振動幅度都很小,而長方形格柵的高頻振動的幅度要比正方形的大,所以長方形格柵的湍流強度要大。

在波浪水槽中,由于兩端是敞開的,格柵振動產生的湍流強度,不僅與格柵沖程、頻率、孔心距有關,還與格柵的長度有關,這與在水箱中由格柵振動產生的湍流不同。

4 結論

在水箱中利用振動格柵產生湍流,此方面已有大量的研究工作。本文是在波浪水槽中,利用振動格柵產生湍流,其與在水箱中的最大不同在于,波浪水槽沿水槽方向是敞開的,進而使得振動格柵產生湍流具有自己的特征。

本文主要開展了4類實驗,由實驗結果可知,湍流強度隨著到格柵平均位置距離的增加逐漸衰減,但在更遠的距離時,湍流強度又增加,這主要是由于低頻大幅度流動引起的;格柵產生湍流強度隨著振動頻率的增加而增加,增加不是以線性關系增加,而是以冪指數小于1的冪函數增加;隨格柵沖程的增大,產生湍流強度以冪指數大于1的冪函數增加;構造了兩個格柵,一個是長方形格柵,一個是正方形格柵,在格柵沖程、孔心距以及測量點到格柵平均位置的距離都相同的條件下,調節格柵振動的頻率為1 Hz、2 Hz和3 Hz,實驗結果發現,長方形格柵湍流強度隨格柵振動頻率增加的比較緩慢,而正方形格柵湍流強度隨振動頻率增加的比較迅速,并且在振動頻率為1 Hz時,長方形格柵產生的湍流強度大,而在振動頻率為3 Hz時,正方形格柵產生的湍流強度大,分析其原因為,格柵的長度不一樣,進而在振動時產生的低頻大幅度流動不一致,從而導致在計算湍流強度時,得到的湍流強度有差別。

總之,在波浪水槽中由振動格柵可產生水平方向近乎均勻、垂直方向湍流強度逐漸衰減、平均流較小的湍流,且可以通過調節格柵振動頻率、振動沖程和改變格柵長度調節湍流強度大小,為開展后續的波-湍相互作用實驗,湍流對氣體交換影響實驗,提供可控的背景湍流。

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An experi mental study on characteristics of turbulence generated by oscillating grids in a wave tank

Ma Hongyu1,2,3,Dai Dejun2,3,Qiao Fangli2,3,Jiang Shu min2,3

(1.College of Oceanic and At mospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Key Laborotr y of Marine Science and Nu merical Modeling,State Oceanic Ad ministr ation,Qingdao 266061,China;3.The First Institute of Oceanography,State Oceanic Ad ministration,Qingdao 266061,China)

In this paper,we study the characteristics of turbulence generated by oscillating grids in a wave tank.Four experi ments are carried out.High-frequency velocity fluctuations with different depths of measurement points,vibration frequency,vibration stroke were recorded by an acoustic Doppler veloci meter(ADV).The experi ments results show that,the turbulence strength becomes weak with increasing the distance from measurement points to grid position,becomes strong withincreasing vibration frequency and vibration stokerespectively as power f unction.At the meanti me,the turbulence strength of t wo different grids was co mpared.Fro m the results we know that the length of grid has great influence on turbulence strength,this is different fromthe turbulence characteristic in a water box.

wave tank;oscillating grid;turbulence

P731.26

A

0253-4193(2017)12-0012-08

馬洪余,戴德君,喬方利,等.波浪水槽中振動格柵湍流特征的實驗研究[J].海洋學報,2017,39(12):12-19,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.002

Ma Hongyu,Dai Dejun,Qiao Fangli,et al.An experimental study on characteristics of turbulence generated by oscillating grids in a wave tank[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):12-19,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.002

2017-01-03;

2017-04-11。

海洋上層混合過程參數化及實驗驗證(2016YFC1401403);國家自然科學基金項目(41276035,40876015);國際合作項目“海洋動力系統和多運動形態相互作用”(GASI-IPOVAI-05)。

馬洪余(1981—),男,山東省棗莊市人,助理研究員,博士,主要從事湍流混合與數值模式參數化研究。E-mail:mahy@fio.org.cn

*通信作者:戴德君(1973—),男,山東省棗莊市人,研究員,博士,主要從事內波混合研究。E-mail:djdai@fio.org.cn