過(guò)渡流下近壁單方柱繞流的實(shí)驗(yàn)研究

謝福興，翟少華，周 磊，喜冠南

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

1 引言

流體流過(guò)壁面會(huì)形成壁面邊界層，邊界層的發(fā)展依次經(jīng)過(guò)三個(gè)階段，分別是層流、過(guò)渡流和湍流［1］。在層流狀態(tài)下，流體流動(dòng)平穩(wěn)并且均勻發(fā)展，傳熱性能較差；在過(guò)渡流狀態(tài)下，流體流動(dòng)不穩(wěn)定，傳熱性能增強(qiáng)；在湍流狀態(tài)下，流體流動(dòng)無(wú)規(guī)則，傳熱性能總體較強(qiáng)，但趨勢(shì)逐漸減弱。目前，換熱設(shè)備正向小型且高效化方向發(fā)展，其流動(dòng)狀態(tài)也將進(jìn)入層流狀態(tài)。因此一般采用插入柱體的方式使柱體尾流的流動(dòng)狀態(tài)提前進(jìn)入過(guò)渡流［2］，從而使換熱器的換熱效率得到提升。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同工況下的近壁柱體進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)［3］對(duì)于近壁單圓柱繞流進(jìn)行了數(shù)值模擬，總結(jié)了不同雷諾數(shù)下其傳熱特性，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)Re位于（200～1200）之間時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的渦脫落現(xiàn)象；文獻(xiàn)［4］采用γ-Re_θ和k-ωSST兩種湍流模型，研究了在大雷諾數(shù)下方柱尾流的湍動(dòng)能變化和速度分布，同時(shí)獲得了方柱尾流的重構(gòu)流場(chǎng)和低階模態(tài)；文獻(xiàn)［5］研究了單圓柱繞流在湍流狀態(tài)下的流動(dòng)情況，從而得出了圓柱繞流尾跡受是受壁面邊界層厚度與間隙比影響的；文獻(xiàn)［6］時(shí)對(duì)方柱的流場(chǎng)情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并且通過(guò)LDV發(fā)現(xiàn)了在雷諾數(shù)為（2.2×104）時(shí)，渦的大小與分布情況和方柱尾跡的速度分布規(guī)律；文獻(xiàn)［7］對(duì)近壁圓柱繞流進(jìn)行了數(shù)值模擬，他們利用LES方法，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)雷諾數(shù)為（1.31×104），間隙比為0.2和0.6時(shí)圓柱尾跡均成對(duì)稱(chēng)形態(tài)；文獻(xiàn)［8］利用PIV實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)近壁方柱繞流湍流場(chǎng)的非定常特性進(jìn)行了研究，探究了方柱尾流旋渦脫落的頻率和形態(tài)在不同間隙比下的變化過(guò)程。

總的來(lái)看，近壁柱體繞流的研究大多集中于高雷諾數(shù)，即湍流狀態(tài)下，對(duì)于過(guò)渡流狀態(tài)下還缺乏詳盡的實(shí)驗(yàn)研究。因此這里利用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）實(shí)驗(yàn)研究了近壁單方柱在不同雷諾數(shù)（Re=120、150、200）、不同間隙比（C/D=0、0.2、0.4、0.8、1.2）下的尾跡繞流特性。

2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

開(kāi)式循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖，如圖1所示。開(kāi)式循環(huán)水槽示意圖，如圖2所示。包括上水箱1、調(diào)速閥2、整流段3、大蜂窩器4、收縮段5、小蜂窩器6、試驗(yàn)段7如圖3所示、過(guò)渡段8、水箱9、水泵10、下水箱11等，其（長(zhǎng)×寬×高）為（4800×300×300）mm。實(shí)驗(yàn)段與過(guò)渡段水深約為260mm。水流從下水箱被潛水水泵抽至上水箱，流速通過(guò)隔膜閥控制，水流經(jīng)過(guò)有大蜂窩器的整流段、收縮段，收縮段形狀是通過(guò)三次方曲線擬合而得，用于流體的加速及整流。在收縮段與實(shí)驗(yàn)段之間另外放置小蜂窩器用于流體的二次整流，水通過(guò)實(shí)驗(yàn)段流過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃螅倭鹘?jīng)過(guò)渡段，進(jìn)入右側(cè)水箱，最后由底部水管回流至下水箱，實(shí)現(xiàn)水流的整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

圖1 開(kāi)式循環(huán)水槽實(shí)物圖Fig.1 Physical Map of Open-Loop Recirculating Water Tunnel

圖2 開(kāi)式循環(huán)水槽示意圖Fig.2 Schematic Map of Open-Loop Recirculating Water Tunnel

圖3 開(kāi)式循環(huán)水槽試驗(yàn)段Fig.3 Test Section of Open-Loop Recirculating Water Tunnel

2.2 PIV裝置簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)采用的是美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的二維粒子圖像測(cè)速儀，即Particle Image Velocimetry（PIV）。雙頻脈沖激光器、同步控制器、冷卻器、CCD相機(jī)、以及圖像處理軟件等是粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)的主要組成設(shè)備，如圖4所示。

圖4 PIV測(cè)速示意圖Fig.4 Schematic Map of Velocity Measurement about PIV

2.3 試驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先需要在水槽中加入示蹤粒子（有較好光散射特性、較好追隨性的直徑約（13～14）μm的鍍銀玻璃球），然后依次打開(kāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，調(diào)節(jié)脈沖激光器，使其經(jīng)導(dǎo)光臂打出垂直于水面的片狀激光，同時(shí)調(diào)整相機(jī)位置、焦距、光圈等參數(shù)以觀測(cè)到清晰的示蹤粒子。隨后在CCD 相機(jī)的拍攝區(qū)域內(nèi)放置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒃诩す馑矫嫔戏胖每潭瘸撸{(diào)試相機(jī)焦距直到可以清晰看到刻度尺上的刻度，通過(guò)insight4g自帶的標(biāo)定軟件完成標(biāo)定工作。之后CCD相機(jī)拍攝激光照射區(qū)域，將相機(jī)收集到的圖像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再利用Tecplot、Insight4G等軟件進(jìn)行后處理，得到相應(yīng)的渦量圖、速度場(chǎng)圖。

2.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D5所示。雷諾數(shù)的計(jì)算公式為：

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.5 Schematic Map of Experimental Model

式中：U0—流體流速；D—方柱邊長(zhǎng)；υ—運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

方柱下底面至實(shí)驗(yàn)臺(tái)壁面的高度為C，間隙比為C/D。方柱中心到上游流體進(jìn)口距離Xup為700mm，到下游距離Xdown為4100mm，方柱邊長(zhǎng)D為15mm。本次實(shí)驗(yàn)在雷諾數(shù)Re為120、150、200，間隙比C/D為0、0.2、0.4、0.8、1.2這幾種工況下，進(jìn)行近壁單方柱的流動(dòng)特性的研究。

3 結(jié)果分析

3.1 時(shí)均流線及速度場(chǎng)

近壁單方柱時(shí)均流線及速度場(chǎng)，如圖6 所示。其中，Re為120、150、200，C/D分別為0、0.2、0.4、0.8、1.2。方柱流動(dòng)特性的變化主要表現(xiàn)方柱尾流分離剪切層的變化、產(chǎn)生回流區(qū)域的形態(tài)以及渦的尺度變化。

圖6 不同Re、不同C/D的方柱時(shí)均流線及速度場(chǎng)圖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條件下，例如Re=200，當(dāng)C/D=0時(shí)，方柱的下表面緊貼實(shí)驗(yàn)臺(tái)壁面，水流經(jīng)過(guò)方柱上表面在下游形成一個(gè)單側(cè)剪切層，逐漸變成大的順時(shí)針渦。渦的高度低于方柱邊長(zhǎng)，橫向?qū)挾扰c方柱長(zhǎng)度大致相當(dāng)；當(dāng)C/D=0.2時(shí)，水流經(jīng)過(guò)方柱表面產(chǎn)生雙側(cè)分離剪切層，上側(cè)分離剪切層形成順時(shí)針回流區(qū)，而方柱下表面與壁面間隙較小，下側(cè)分離剪切層發(fā)展受到抑制，形成較小的逆時(shí)針回流區(qū)，兩區(qū)域大致形成對(duì)稱(chēng)的渦對(duì)；當(dāng)C/D=0.4時(shí)，間隙增大，下側(cè)受到的抑制作用減小，下側(cè)分離剪切層得到發(fā)展，產(chǎn)生回流區(qū)域增大；當(dāng)C/D=0.8時(shí)，渦對(duì)受到壁面的影響繼續(xù)減小，下側(cè)分離剪切層繼續(xù)發(fā)展，渦對(duì)趨于對(duì)稱(chēng)，高度逐漸高于方柱上表面，回流區(qū)逐漸增大，下游水流產(chǎn)生波動(dòng)減小；當(dāng)C/D=1.2時(shí)，與C/D=0.8時(shí)類(lèi)似。總的來(lái)說(shuō)，Re一定，C/D增大，雙側(cè)回流區(qū)會(huì)產(chǎn)生交替渦脫落現(xiàn)象，同樣地，在其他Re條件下也表現(xiàn)出類(lèi)似上述的特點(diǎn)。

在同一C/D，不同Re條件下，例如C/D=0.2，當(dāng)Re=120時(shí)，水流經(jīng)過(guò)方柱表面產(chǎn)生雙側(cè)分離剪切層，上側(cè)分離剪切層形成較大的順時(shí)針回流區(qū)，而下側(cè)間隙較小，下側(cè)分離剪切層發(fā)展受到抑制，產(chǎn)生較小的逆時(shí)針回流區(qū)，兩區(qū)域形成大致對(duì)稱(chēng)的渦對(duì)，方柱下游水流產(chǎn)生波動(dòng)；當(dāng)Re=150時(shí)，下側(cè)受到的抑制作用減小，逆時(shí)針回流區(qū)增大，與上側(cè)順時(shí)針回流區(qū)域大小相當(dāng)，方柱下游水流的波動(dòng)減小；當(dāng)Re=200時(shí)，雙側(cè)回流區(qū)域均繼續(xù)增大，方柱下游水流波動(dòng)無(wú)明顯變化，上側(cè)回流區(qū)域高度高于方柱上側(cè)表面。同樣地，在其他C/D條件下也表現(xiàn)出類(lèi)似上述的特點(diǎn)。

3.2 時(shí)均渦量場(chǎng)

流體速度矢量旋度由渦量表示。近壁單方柱時(shí)均渦量，如圖7所示。其中，順時(shí)針正渦由一色表示，逆時(shí)針負(fù)渦由另一色表示，顏色的深淺程度表示渦量強(qiáng)度的大小，渦量分布區(qū)域大小和渦量的強(qiáng)弱變化是方柱流動(dòng)特性的主要表現(xiàn)。

圖7 不同Re、不同C/D的方柱時(shí)均渦量圖Fig.7 Time-Average Vorticity Diagram of Square Columns with Different Re and Different C/D

在同一Re，不同C/D條件下，例如Re=200，當(dāng)C/D=0時(shí)，方柱的下表面緊貼壁面，水流經(jīng)過(guò)方柱表面在上側(cè)形成單側(cè)分離剪切層；當(dāng)C/D=0.2時(shí)，水流經(jīng)過(guò)方柱形成雙側(cè)分離剪切層，上側(cè)分離剪切層逐漸發(fā)展，形成了順時(shí)針正渦，渦量強(qiáng)度增大，而下側(cè)間隙較小，下側(cè)分離剪切層的發(fā)展受到抑制，形成了渦量強(qiáng)度較小的逆時(shí)針負(fù)渦，下游水流出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)C/D=0.4時(shí)，上側(cè)渦量強(qiáng)度增大，下側(cè)間隙增大，受到的抑制作用減小，下側(cè)分離剪切層慢速發(fā)展，負(fù)渦尺度增大，下游水流的波動(dòng)減小；當(dāng)C/D=0.8時(shí)，上側(cè)分離剪切層繼續(xù)發(fā)展，正渦的渦量和尺度增大，下側(cè)幾乎不受抑制，下側(cè)分離剪切層逐漸發(fā)展，負(fù)渦離方柱中心更近，雙側(cè)渦對(duì)逐漸對(duì)稱(chēng)；當(dāng)C/D=1.2時(shí)，與C/D=0.8時(shí)類(lèi)似，兩側(cè)尾流渦分布區(qū)域繼續(xù)增大，雙側(cè)渦對(duì)完全對(duì)稱(chēng)，渦量強(qiáng)度以及尺度相當(dāng)。總的來(lái)說(shuō)，C/D增大，上側(cè)剪切層的渦量分布減小、強(qiáng)度增加，而下側(cè)剪切層的渦量分布和強(qiáng)度都增大。同樣地，在其他Re條件下也表現(xiàn)出類(lèi)似上述的特點(diǎn)。在同一C/D，不同Re條件下，例如C/D=0.2，當(dāng)Re=120時(shí)，水流經(jīng)過(guò)方柱表面，形成雙側(cè)分離剪切層，上側(cè)順時(shí)針正渦尺度較大，下側(cè)間隙較小，產(chǎn)生了尺度較小的逆時(shí)針負(fù)渦，渦產(chǎn)生在方柱下游，離方柱較遠(yuǎn)，下游水流出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)Re=150時(shí)，兩側(cè)的渦量及渦分布區(qū)域增大，下游水流有波動(dòng)；當(dāng)Re=200時(shí)，兩側(cè)的渦量強(qiáng)度均增大，正渦尺度減小，而負(fù)渦尺度增大，下游水流波動(dòng)增大，兩側(cè)渦對(duì)趨于對(duì)稱(chēng)。總的來(lái)說(shuō)，Re增大，雙側(cè)渦量強(qiáng)度及渦的分布區(qū)域均增大。同樣地，在其他C/D條件下也表現(xiàn)出類(lèi)似上述的特點(diǎn)。

3.2 時(shí)均截面速度

為了進(jìn)一步研究方柱繞流時(shí)均特性，對(duì)300組數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)均處理，取X/D=1.5、3、4.5三個(gè)截面位置，在Re＝120、150、200時(shí)，對(duì)不同C/D的方柱截面速度進(jìn)行分析，如圖8所示。方柱流動(dòng)特性的變化主要表現(xiàn)為渦相對(duì)于其他位置的截面速度變化趨勢(shì)。

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

當(dāng)C/D相同時(shí)，在Re不同的條件下，方柱繞流截面速度特點(diǎn)相似。當(dāng)C/D=0時(shí)，在X/D=1.5的截面處，靠近壁面的流速趨近于0，在X/D=3、4.5截面處，靠近壁面的流速呈現(xiàn)較大的正值；當(dāng)C/D=0.2時(shí)，在X/D=1.5截面處，方柱下側(cè)間隙較小，抑制了下側(cè)剪切層的發(fā)展制，方柱下游有細(xì)小水流通過(guò)，導(dǎo)致近壁面水流速迅速增加，在X/D=3、4.5截面處，下側(cè)分離剪切層得到發(fā)展，只能在有限范圍內(nèi)加速運(yùn)動(dòng)，近壁面水流速下降；當(dāng)C/D=0.4 時(shí)，在X/D=1.5、3截面處，近壁面流速稍微增加，在X/D=4.5截面處，近壁面流速略微減小。與C/D=0.2時(shí)相比變化不大；當(dāng)C/D=0.8時(shí)，在X/D=1.5、3、4.5截面處，近壁面流速均有明顯增加，壁面對(duì)方柱尾流影響繼續(xù)減小，方柱尾流速度明顯增加，且加速運(yùn)動(dòng)區(qū)域持續(xù)變大，與上述渦遠(yuǎn)離方柱表面一致；當(dāng)C/D=1.2時(shí)，在X/D=1.5、3、4.5截面處，近壁面流速小幅度增加至臨界值，此時(shí)雙側(cè)分離剪切層的速度相當(dāng)，雙側(cè)渦大致對(duì)稱(chēng)。

4 結(jié)論

這里通過(guò)粒子圖像測(cè)速方法（PIV）對(duì)過(guò)渡流下近壁單方柱尾跡繞流的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)論總結(jié)如下：（1）Re、C/D對(duì)方柱的速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)等有明顯影響。Re主要影響速度矢量旋度的大小及渦的分布區(qū)域。C/D主要影響實(shí)驗(yàn)臺(tái)壁面與方柱的相互作用，導(dǎo)致下側(cè)分離剪切層及渦的形態(tài)變化。（2）隨著Re的增大，方柱尾流處的渦尺度及速度矢量旋度均增大。當(dāng)Re=200時(shí)，方柱繞流的流動(dòng)特性受間隙比的影響較明顯。（3）隨著C/D的增大，方柱尾流由單渦逐漸變?yōu)閷?duì)稱(chēng)的渦對(duì)，同時(shí)尺度逐漸減小。當(dāng)C/D=0時(shí)，隨著Re的增大，渦的再附著點(diǎn)會(huì)逐漸向方柱靠近；當(dāng)C/D＜0.8時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)壁面與方柱的相互作用比較明顯，方柱下游的流體擾動(dòng)較強(qiáng)；當(dāng)C/D＞0.8時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)壁面與方柱的相互作用較弱，壁面對(duì)渦的特性影響極小，方柱尾流處形成大致對(duì)稱(chēng)的渦對(duì)。