大雷诺数下串列方柱的PIV试验研究 - 图文

Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2020, 9(3), 244-252 Published Online June 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/met https://doi.org/10.12677/met.2020.93026

PIV Experimental Investigation of Series Parallel Column with High Reynolds Number

Bin Wang1,2, Wenwu Song2,3*, Jie Fu2,3, Jianwei Shi2,3, Lijia Wan2,3

Sichuan Province Water Resources Vocational and Technical College, Chengdu Sichuan The Ministry of Fluid and Power Machinery Ministry of Key Laboratory, Chengdu Sichuan 3

School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu Sichuan

ththth

Received: May 29, 2020; accepted: Jun. 11, 2020; published: Jun. 18, 2020

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Abstract

In order to study the mechanical structure and the characteristics of the flow field around the building to reduce the loss caused by improper engineering design. Particle Image Velocimetry (PIV) was used, under different working conditions in tandem column. The wind tunnel experi-ments with Reynolds numbers of 6.8 × 103, 1.4 × 104, 2.2 × 104 and 3.42 × 104 were carried out. The flow field characteristics and St characteristic of unsteady flow around the square column under large Reynolds number are studied. The results demonstrate that under the large Reynolds number, the unsteady flow field characteristics of the downstream square column can be clearly observed in the PIV test. The time-averaged flow field in the distance from the square column 2D and in-stantaneous flow field in the range of 3.5D from the square column, the interference from the up-per side column is larger. In less than 3.5D, when the project should consider the upstream inter-ference, a reasonable structural design. The downstream column St is on the brink of a constant value of 0.12. In fluid machinery and construction design of the structure has important guiding significance.

Keywords

Tandem Column, Flow around the Flow, PIV Measurements, the Reynolds Number, Wind Tunnel Experiment

大雷诺数下串列方柱的PIV试验研究

王 宾1,2，宋文武2,3*，符 杰2,3，石建伟2,3，万丽佳2,3

12

四川省水利职业技术学院，四川 成都

流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 3

西华大学能源与动力工程学院，四川 成都

*

通讯作者。

文章引用: 王宾, 宋文武, 符杰, 石建伟, 万丽佳. 大雷诺数下串列方柱的PIV试验研究[J]. 机械工程与技术, 2020, 9(3): 244-252. DOI: 10.12677/met.2020.93026

王宾 等

收稿日期：2020年5月29日；录用日期：2020年6月11日；发布日期：2020年6月18日

摘 要

为了研究机械结构以及建筑物周围的流场特性，减小工程设计不当造成的损失。采用粒子图像测速设备PIV，对不同间距下的串列方柱，分别进行雷诺数为6.8 × 103、1.4 × 104、2.2 × 104、3.42 × 104的方柱绕流风洞实验，研究了串列方柱在大雷诺数下，方柱非定常绕流的流场特征和斯特罗哈数的变化特性。结果表明，在大雷诺数下，PIV试验能清晰观察到下游方柱的非定常流场特征，时均流场中距离方柱2倍间距以及瞬时流场中距离方柱3.5间距的范围内，受到上游方柱干扰较大，在小于3.5倍间距时，工程中应考虑上游的干扰，进行合理结构设计；下游方柱斯特罗哈数接近于常值0.12；在流体机械及建筑工程中结构的设计有着重要指导意义。

关键词

串列方柱，绕流流场，PIV测量，雷诺数，风洞实验

Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Open Access 1. 引言

方柱绕流现象广泛存在于桥梁工程、海洋工程、水电工程和流体机械等工程科学领域中，例如石油开采平台的墩柱、港口码头的桩柱、电厂的冷却塔等都存在着串列方柱结构。若处于流体快速流动的环境中，会出现旋涡分离、脱落等复杂流动现象，方柱通常由于旋涡脱落而产生振动，当振动频率接近方柱固有频率时就会引起共振，从而导致机械结构损坏、建筑物坍塌等灾难性事故。全面性地研究串列方柱，并观察周围真实的流场特性对人们解决结构设计等相关实践工程中的问题具有重要意义。

在圆柱和方柱等钝体绕流方面，国内外许多学者都进行了长时间的研究。Lyn等[1]率先采用LDV (laserdoppler velocimetry)给出了雷诺数为2.2 × 104时单点试验结果；Dur?o给出了雷诺数为1.4 × 104的单点试验结果[2]，目前很多关于流体方面的动力学数值模型以及计算方法均使用他们的试验结果作为校核的基本标准。许多学者在尾流的涡脱落特性和涡致振动上也进行了研究[3] [4] [5]；Kim和Lee等[6]采用热线风速仪和PIV (particle image velocimetry)技术获得在Re = 2.2 × 104时单方柱绕流的斯特劳哈尔数为0.136和时均流场。研究中也发现计算域壁面和雷诺数对方柱有一定的影响[7] [8]。在多个钝体中，周云龙[9]研究了双相流并列方柱的涡脱落特性；而Sohankar [10]、陈素琴[11]、吴七二[12]、吕启兵[13]等学者通过数值模拟对不同间距比下串列双方柱的绕流特征进行了分析；Liu和Chen [14]实验研究了间距从1.5到9.0，雷诺数从2.0 × 103到1.6 × 104的情况下串列方柱的流动特性。从上述可以看出，在串列方柱方面，缺乏大雷诺数工况下，下游方柱流场受干扰时的流动特性以及流场空间结构研究。

鉴于此，本文主要应用PIV粒子图像测速仪对大雷诺数下背风向方柱的非定常绕流进行风洞试验，研究了尾流中流场受干扰时的流动特性。最后总结出斯特罗哈数与雷诺数及间隙比的关系曲线，对一些流体机械及建筑物的结构设计有着重要的意义。

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2. IV试验布置

串列方柱绕流的PIV试验是在西华大学流体及动力机械教育部重点实验室的XHWT-1风洞中进行。该风洞为回流式风洞，风洞的截面尺寸为宽1.2 m，高1.2 m，试验段长3 m，风洞试验的风速范围在0~60 m/s。

流场测试装备选用美国TSI公司三维PIV粒子图像测速系统，系统中的激光器可以产生532nm波长的单一激光，单脉冲的最大能量为132 mJ，其最高频率为30 Hz，激光器产生绿色的激光照亮测试添加了示踪粒子的区域。风洞中安装的有发烟装置，试验过程中均采用烟线法，示踪粒子直径小，不会影响流场；在同步器保证激光产生时间与双CCD相机成像同步的情况下，能通过双CCD相机快速成像，瞬间“冻结”住流场，利用专业软件Tecplot等，通过互相关算法运算，得到在间隔时间内测试区域中大量示踪粒子的位移，从而获得流场中一个平面内的多点流场特性等。方柱的风洞实验台布置如图1。

Figure 1. Arrangement of wind tunnel test-bed 图1. 风洞实验台布置

串列方柱绕流试验示意图如图2。两个方柱模型均为光滑木质材料，尺寸为长100 cm，宽5 cm，宽5 cm，方柱表面对激光有部分反射。方柱宽为D，下游方柱中线距风洞试验段最左侧为30D，距最右侧为30D，试验整个过程都固定不动，上游方柱距离下游方柱为L。通过移动前方柱来改变两个方柱的间距，间距的改变会导致后方柱下游的流场特征也可能产生变化。间距比定义为G = L/D，串列方柱间距为5 cm、10 cm、20 cm、30 cm以及40 cm的间隙比分别是1、2、4、6、8。雷诺数Re = ρU0D/v，其中U0为来流风速，v表示运动粘性系数。试验在均匀流条件下，紊流度小于0.5%，风速分别为2 m/s、4.1 m/s、6.4 m/s和10 m/s。

Figure 2. Schematic diagram of the flow around a square column 图2. 串列方柱绕流试验示意图

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3. 实验结果及分析

实验观测到串列方柱在不同雷诺数和间距(比)工况时，下游方柱绕流流动过程。通过方柱绕流的二维流动特性和PIV测速仪的特性，对下游方柱中间水平面进行实验观测，同步器采集间隔时间最小为190 ns，采样频率为15 Hz，单租共采样840对图片。

对下游方柱在不同工况下，尾流中的时均流场流动特性以及瞬时流场的旋涡产生、脱落及发展等交替演化动态过程进行观测分析，得到了瞬时流场图、时均流场图，并比较了两种流场的结构特性；同时分析后方柱侧面和下游的时均速度特性。

3.1. 下游方柱中间断面的时均流速流动特性分析

图3是下游方柱在不同雷诺数和间距工况下的水平时均流速曲线图，G=∞代表的是单方柱的无干扰流场特性。由图3(a)~(d) 4幅图可以观察到，同一雷诺数下，当串列方柱的间距比G ≤ 4.0时，随着间距比的增大，水平时均流速呈下降趋势，这是由于在小间距时，上游方柱尾流还未形成涡街，上游方柱高速分离的剪切层流附着在下游方柱两边面上，下游方柱尾部流速就受到一个推进的作用，故下游方柱尾部速度能较快接近风速，时均流速比也就相对较高，而随着间距的增大，上游方柱尾流逐渐开始形成半涡街状态，产生涡区并流动激烈，旋涡干扰到下游方柱的尾部流场，导致时均流速比相对较低；当间距比G > 4.0时，从图中能够看出G = 6和8的趋势与单方柱的差距不大，但是仍存在一定的影响，这是由于间距增大后，前后方柱尾部都形成涡街，距离越远，前方柱对后方柱的影响就越小，趋势也就越接近单方柱，最后都稳定在0.6左右，与Dur?o的实验结果趋势相吻合。

(a) Re = 6.8 × 10 (b) Re = 1.4 × 10

3

4

(c) Re = 2.2 × 10 (d) Re = 3.42 × 10

4

4

Figure 3. Horizontal velocity profile 图3. 水平速度剖面

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从图中可以观察到串列方柱在间距比大于或小于4.0时的时均流速存在较明显的区别。临界间距被定义为当L/D为一定值时，流场会有两种不同的形态，并且大于这一定值时的流动形态和小于这一定值的流动形态截然不同[15]。因此可以得到本试验串列方柱的临界间距在G = 4.0附近。同时，得到在同一间隙比下，随着雷诺数的增大，时均流速也逐渐升高。总体看来，各工况下，在x/D < 3时，时均速度较大；而在x/D=3时，较远区域速度略小，流速逐渐都趋于稳定。

图4给出了G = 4和G = 6时，后方柱竖向时中线均速度曲线图，图中可以了解到本文试验检测到的风速偏小，从图4(a)、图4(b)中可以观察到不同雷诺数不同间距下方柱侧面的时均流速趋势一致，图4(b)中加入单方柱试验作比较，趋势大致相同，而在时均流速的拐角点与稳定流速上，单方柱试验与串列方柱试验存在一定的区别，这是由于串列方柱中后方柱受到前方柱所形成的涡区的影响，干扰到侧面的流场，导致达到时均流速最大值和稳定流速也就相对距离方柱侧面较远，整体差别不大。由于实验条件的限制，近壁拍摄效果不佳，以致于方柱壁面流动状态在试验中没有检测到好的效果。

(a) G = 4.0 (b) G = 6.0

Figure 4. Vertical velocity profile 图4. 竖向速度剖面

3.2. 下游方柱绕流瞬时流场分析

图5中图5(a)是在G = 1.0，Re = 6.8 × 103工况下时的瞬时流场，方柱尾部下方形成了明显的旋涡，旋涡直径与方柱特征长度差不多大，旋涡逐渐脱落完成后，延顺风向逐渐发展和扩散到远处，紧接着在方柱上方也逐步形成漩涡并完成脱落，旋涡总是不断交替产生的，然后发展和扩散大约在距方柱约3D的位置，流场受旋涡的影响也慢慢减小，流线也逐渐趋于平稳。

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