過(guò)渡流下異管徑三圓柱繞流的可視化實(shí)驗(yàn)

唐煉蓉，彭婧華，喜冠南

（南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

1 引言

基于換熱器向小管徑的發(fā)展趨勢(shì)，為了協(xié)調(diào)管徑細(xì)小化造成的影響，在換熱器中可能會(huì)出現(xiàn)不等直徑的管束布置形式。為了闡明不等直徑管束列繞流的流動(dòng)特性對(duì)傳熱強(qiáng)化的影響，對(duì)異管徑三圓柱列繞流進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究。

關(guān)于異管徑圓柱，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[1-2]采用Fluent軟件，在雷諾數(shù)Re=200時(shí)，不同中心距和直徑比情況下，對(duì)串列布置的不等直徑雙圓柱的繞流問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。文獻(xiàn)[3]在Re=55、90、100、120、150和200時(shí)，利用覆蓋網(wǎng)格分區(qū)算法進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，在主圓柱尾流場(chǎng)的適當(dāng)位置放置小圓柱，研究其流動(dòng)特性和從屬小圓柱對(duì)主圓柱繞流的影響。文獻(xiàn)[4]在Re=100和200時(shí)，對(duì)串列雙尺度圓柱的繞流換熱進(jìn)行了二維瞬態(tài)數(shù)值模擬研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)直徑比恒定保持為2/3，中心距從1.2D變化到5D，雷諾數(shù)從1200變化到4800的不等直徑串列雙圓柱的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)三圓柱在不同入射角和不同間隔比下的旋渦脫落頻率以及流場(chǎng)干擾模式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[8]用有限元法對(duì)不等直徑三圓柱的二維繞流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

總體來(lái)說(shuō)，關(guān)于異管徑圓柱列的研究主要是集中于數(shù)值模擬研究，實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少，缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；關(guān)于過(guò)渡流下的多圓柱列研究也多集中于等直徑圓柱[9-10]。針對(duì)以上情況，選取雷諾數(shù)為120、150和200的工況，對(duì)不同橫向中心距Ps的異管徑三圓柱繞流進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)式循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要由上水箱、下水箱、水泵、整流段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、過(guò)渡段等組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用水為介質(zhì)，采用水泵9將水抽至上水箱1；通過(guò)調(diào)速閥2調(diào)整流速，改變雷諾數(shù)，繼而流入整流段3；在整流段設(shè)置蜂窩整流器4來(lái)減小水流沖擊，流進(jìn)收縮段5；收縮段采用比例為3：1的三次方曲線的收縮形態(tài)，在加速流體的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)流場(chǎng)的穩(wěn)定；隨后水流入實(shí)驗(yàn)段6，流過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?jīng)過(guò)過(guò)渡段7；過(guò)渡段與實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度比為3：1，對(duì)水流起到緩沖作用，減小回流對(duì)實(shí)驗(yàn)段造成的影響；最后水流入右下水箱8，利用下端水管流回左下水箱10，實(shí)現(xiàn)水流的循環(huán)流動(dòng)。

圖1 開(kāi)式循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic Map of Open-Loop Recirculating Water Tunnel

2.2 PIV測(cè)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)TSI公司的二維粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（Particle Image Velocimetry，即PIV），如圖2所示。測(cè)速系統(tǒng)主要由示蹤粒子、雙脈沖激光源、冷卻器、CCD相機(jī)、同步器及圖形處理軟件等部件構(gòu)成。脈沖激光源通過(guò)導(dǎo)光臂發(fā)出平行于水槽底部的片光源，CCD相機(jī)鏡頭高懸于試驗(yàn)段正上方，與片光源垂直。將CCD相機(jī)拍攝的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)Insight 4G軟件進(jìn)行后處理得到瞬時(shí)速度矢量。本實(shí)驗(yàn)中采用的示蹤粒子是鍍銀空心玻璃球，粒徑為（0.001～0.0015）mm（平均值為0.0013mm），具有良好的跟隨性和光散射性，滿足圖像采集中對(duì)粒子準(zhǔn)確的捕捉。

圖2 PIV測(cè)速系統(tǒng)組成圖Fig.2 Schematic Map of Velocity Measurement about PIV

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.3 Schematic Map of Experimental Model

在上游布置兩個(gè)與水流方向在同一垂直面上的等直徑圓柱，在下游布置一個(gè)直徑小于上游圓柱且在其中垂線上的小圓柱。上游圓柱直徑D=10mm，下游圓柱直徑d=6mm，縱向中心距PT=3D且保持不變，橫向中心距Ps取2D，3D，4D，5D，6D，U0方向?yàn)閬?lái)流的速度方向。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為研究不同雷諾數(shù)Re，不同橫向中心距Ps對(duì)異管徑三圓柱繞流的影響，結(jié)合時(shí)均渦量、時(shí)均速度相關(guān)量和時(shí)均速度截面對(duì)不同工況下的時(shí)均流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，從時(shí)均的角度出發(fā)研究流動(dòng)特性具有一般性。

3.1 時(shí)均渦量場(chǎng)

渦量是一個(gè)整體參數(shù)，表征測(cè)量渦的強(qiáng)弱。不同Ps，不同Re時(shí)的時(shí)均渦量場(chǎng)圖，如圖4所示。一種顏色代表以逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的正渦量，另一種顏色代表以順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的負(fù)渦量。云圖顏色的深淺表示渦量強(qiáng)度。不同Ps，不同Re時(shí)的整體渦量場(chǎng)都關(guān)于上游兩圓柱X方向的中心線對(duì)稱。

圖4 不同Ps，不同Re時(shí)的時(shí)均渦量場(chǎng)圖Fig.4 Time-Mean Vorticity Contours for the Case of Different Distances at Different Reynolds Numbers

當(dāng)Re一定，Ps不同時(shí)，上下游圓柱尾流都呈現(xiàn)出尺寸相當(dāng)?shù)恼?fù)渦。Ps=2D、3D時(shí)，上游大圓柱尾流受到下游小圓柱的影響，導(dǎo)致上游大圓柱尾流的正負(fù)渦整體向上和向下傾斜。隨著Ps增加到4D、5D和6D時(shí)，下游小圓柱對(duì)上游大圓柱尾流的影響逐漸減小到幾乎忽略不計(jì)，上游大圓柱尾流的正負(fù)渦呈現(xiàn)出對(duì)稱規(guī)律。隨著Ps變化，上下游圓柱尾流附近的渦量強(qiáng)度變化不明顯，但在Ps從2D逐步變化到4D過(guò)程中，上游圓柱尾流渦量尺寸逐步減小。當(dāng)Ps增加到5D，6D時(shí)，上下游圓柱尾流的渦量尺寸與Ps=4D時(shí)大致相同。這是由于在同一Re下，Ps從2D逐漸增加到4D的過(guò)程中，上下游圓柱尾流附近的速度矢量逐漸減小，Ps增加到6D時(shí)，速度矢量變化趨于穩(wěn)定，并且尾流的匯流長(zhǎng)度逐步縮短。在其他Re下也呈現(xiàn)出上述相同的特性。

當(dāng)Re不同時(shí)，Ps=2D，3D時(shí)，上游大圓柱尾流同樣出現(xiàn)向上傾斜的正負(fù)渦。隨著Re從120逐步增加到200，流速增大，上下游圓柱尾流附近的渦量強(qiáng)度都逐步增大，而渦量尺寸在逐漸減小，但在Ps=2D和3D時(shí)變化明顯，在Ps=4D、5D和6D時(shí)，上下游圓柱的渦量尺寸大致相同。這是由于在同一Ps下，隨著Re 從120逐步增加到200，上下游圓柱尾流附近的速度矢量逐漸增大，并且尾流的匯流長(zhǎng)度逐步縮短。在其他Ps下也呈現(xiàn)出上述相同的特性。

3.2 時(shí)均速度相關(guān)量

速度相關(guān)量是X、Y方向上的速度u、v的速度脈動(dòng)關(guān)聯(lián)量。云圖顏色的深淺代表速度相關(guān)量的大小，表征流動(dòng)不穩(wěn)定性的強(qiáng)弱。不同Re，不同Ps下所有的速度相關(guān)量基本都呈現(xiàn)出關(guān)于上游兩圓柱X方向中心線對(duì)稱的趨勢(shì)。

不同Ps，不同Re 時(shí)的時(shí)均速度相關(guān)量圖，如圖5 所示。當(dāng)Re一定時(shí)，隨著Ps從2D逐步增加到6D，上游大圓柱尾流的速度相關(guān)量逐步增大，下游小圓柱尾流的速度相關(guān)量逐步減小。當(dāng)Ps一定時(shí)，隨著Re的增大，上游和下游圓柱尾流的速度相關(guān)量值都逐步增大的趨勢(shì)。

圖5 不同Ps，不同Re時(shí)的時(shí)均速度相關(guān)量圖Fig.5 Time-Mean Reynolds Stress Contours for the Case of Different Distances at Different Reynolds Numbers

當(dāng)Re=120、150，Ps=2D時(shí)，上游大圓柱尾流的速度相關(guān)量相對(duì)下游小圓柱尾流來(lái)說(shuō)要小得多，流動(dòng)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，這是下游小圓柱對(duì)上游大圓柱尾流進(jìn)行了一定的整流所造成的。Ps增加至3D時(shí)，上游大圓柱尾流的速度相關(guān)量增大，并隨Ps進(jìn)一步增加沒(méi)有明顯變化，這是當(dāng)橫向間距增加至3D時(shí)導(dǎo)致上游大圓柱尾流不穩(wěn)定性加強(qiáng)，整流效果不明顯的結(jié)果。然而，當(dāng)Re=200 時(shí)，Ps=2D時(shí)，流速的增大使得下游小圓柱對(duì)上游大圓柱整流效果不明顯。

3.3 速度截面分布

為了研究流體經(jīng)過(guò)上游大圓柱后對(duì)下游小圓柱來(lái)流速度所造成的影響，對(duì)400組數(shù)據(jù)時(shí)均化處理后，對(duì)Re=120、150和200，不同Ps時(shí)的不同速度截面進(jìn)行分析，截面位置包括了X/D=0，1，2，3，4，5，6，7.5，如圖6所示。

圖6 不同Ps，不同Re時(shí)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

在所有速度截面圖中的X/D=0處，上游兩大圓柱之間的流體速度大約為（0.5～1）倍U0，表明上游兩圓柱之間的流體速度已經(jīng)被加速。

當(dāng)Re一定時(shí)，隨著Ps的增大，下游小圓柱前截面的速度波動(dòng)越來(lái)越小，下游小圓柱前的速度也越來(lái)越小，降低了有效雷諾數(shù)。

當(dāng)Ps一定時(shí)，隨著Re的增加，上游兩圓柱之間流體的加速效應(yīng)增強(qiáng)。但Ps增加到4D、5D和6D時(shí)，隨著Re的改變，下游小圓柱前后的速度截面分布沒(méi)有明顯的改變，此時(shí)上游兩圓柱之前的流速加速效應(yīng)對(duì)下游小圓柱的影響已經(jīng)很小，圓柱尾流的速度基本回復(fù)。

4 結(jié)論

采用二維粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）對(duì)過(guò)渡流下異管徑三圓柱繞流的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在測(cè)量范圍內(nèi)總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）在不同雷諾數(shù)和不同橫向中心距的工況下，異管徑三圓柱列的流場(chǎng)基本呈現(xiàn)出關(guān)于上游兩圓柱X方向的中心線對(duì)稱。

（2）隨著橫向中心距和雷諾數(shù)的增加，上下游圓柱尾流的渦量尺度逐漸減小至基本不變。上游大圓柱尾流的速度相關(guān)量逐漸增大至不變，下游小圓柱尾流的速度相關(guān)量從大變小至不變，說(shuō)明上下游圓柱的互相作用逐漸減弱。

（3）橫向中心距在一定范圍內(nèi)對(duì)上下游圓柱尾流產(chǎn)生影響。

根據(jù)這里所研究的工況，在Ps＜3時(shí)，上游大圓柱對(duì)下游小圓柱尾流影響較大，加速效應(yīng)明顯；在Ps＞3時(shí)，上游大圓柱對(duì)下游小圓柱尾流的影響較弱，下游小圓柱尾流出現(xiàn)明顯的速度回復(fù)。