三維陷落腔脈動壓力分布特性實(shí)驗(yàn)研究

戴紹仕，姚熊亮，李 卓

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

三維陷落腔脈動壓力分布特性實(shí)驗(yàn)研究

戴紹仕，姚熊亮，李 卓

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

文章針對均勻流場中三維深型陷落腔因流分離而產(chǎn)生的流激振蕩問題開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。在來流流速為0攻角時實(shí)驗(yàn)時的雷諾數(shù)變化范圍：Re=1.55×105～8.74×105。實(shí)驗(yàn)中分別測量了三維深型陷落腔側(cè)壁周向及垂向流體壓力，分析了腔體內(nèi)脈動壓力周向、垂向的分布規(guī)律及腔口處剪切層自持振蕩特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：均勻流場中三維深型陷落腔內(nèi)脈動壓力分布較為復(fù)雜。在剪切層隨邊處的脈動壓力最大，隨邊角點(diǎn)處脈動壓力隨相對高度的增加而陡降為0，但腔口導(dǎo)邊及側(cè)面處的脈動壓力隨相對高度增加而略有增大。剪切層自持振蕩頻率的無量綱數(shù)St數(shù)隨Re變化為一常數(shù)值，但其值比氣流場中二維陷落腔的St數(shù)略大。

深型陷落腔；均勻流；流激振蕩；脈動壓力；實(shí)驗(yàn)研究

1 引 言

陷落腔結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域、航海領(lǐng)域、水利工程等領(lǐng)域中，如飛機(jī)起落架輪蓄井、船用海底閥箱及相關(guān)儲液系統(tǒng)、槽形壁面的風(fēng)洞和水洞等都屬陷落腔結(jié)構(gòu)。人們通常認(rèn)為在三維陷落腔內(nèi)的水是“死水”，即“死水”暗示著腔內(nèi)流體的流速為0。但實(shí)際上當(dāng)水流流過陷落腔時在腔口的導(dǎo)邊處會發(fā)生流分離，然后因逆壓的存在而產(chǎn)生渦體運(yùn)動和剪切層自持振蕩的現(xiàn)象。在剪切層振蕩過程中將陷落腔內(nèi)部水體與外部水體分開，使得腔內(nèi)形成一循環(huán)水系，在此循環(huán)水系內(nèi)有一大渦做低周運(yùn)動，此時在腔體內(nèi)部存在一種復(fù)雜的、垂向的、不穩(wěn)定的三維流體運(yùn)動。腔內(nèi)較強(qiáng)脈動壓力的變化可能誘發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷或破壞。

到目前為止，有關(guān)二維陷落腔流激振蕩問題的研究已取得了較為豐碩的成果[1-7]，但多數(shù)研究主要集中在氣流場作用下二維陷落腔剪切層自持振蕩頻率特性的驗(yàn)證與對比上，不僅忽略了腔內(nèi)流體運(yùn)動的三維效應(yīng)而且不涉及腔體內(nèi)部流體脈動壓力的分布特性，而剪切層自持振蕩作用會使陷落腔內(nèi)部產(chǎn)生一種復(fù)雜的、垂向的三維流體運(yùn)動。在這種情況下陷落腔內(nèi)部的水動力問題還鮮有論文發(fā)表。

有鑒于此，本文在均勻流場中不同來流流速的情況下開展了三維深型陷落腔流激振蕩問題的系列實(shí)驗(yàn)研究，給出了三維深型陷落腔內(nèi)部脈動壓力周向和垂向分布規(guī)律，以及剪切層的振蕩特性，揭示了深型陷落腔內(nèi)部流體運(yùn)動機(jī)理，為三維深型陷落腔的疲勞計算提供參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測量設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)拖曳水池開展，拖曳水池長108m、寬7m和深3.5m，水池拖車最大速度可達(dá)6m/s，實(shí)驗(yàn)時水溫為20°。實(shí)驗(yàn)載體—船模全長3.8m，寬1.0m和高0.8m，吃水0.4m、干弦0.3m，深型陷落腔的長×寬×高為 0.225×0.3×0.3，高跨比 H/L=1.333，見圖 1，實(shí)驗(yàn)流速范圍 0.6～3.39m/s，Δv=0.31m/s。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b時為避免實(shí)驗(yàn)載體在實(shí)驗(yàn)中發(fā)生橫搖、縱搖及不必要的振動而影響實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，本文在實(shí)驗(yàn)時將實(shí)驗(yàn)載體用80#槽鋼與拖車前梁鋼性連接，并在前梁與槽鋼的連接處、槽鋼與實(shí)驗(yàn)載體的連接處分別墊上厚為10mm的橡膠墊，見圖2。為防止實(shí)驗(yàn)過程中腔體內(nèi)存有空氣，在三維陷落腔頂面中心設(shè)置φ30的排氣管。

實(shí)驗(yàn)采用法國產(chǎn)的EPX-N12-0.7B/LTM/Z*微型壓力傳感器，采用LDS Nicollet多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時配有DH3842可編程應(yīng)變放大器1臺和電荷放大器1臺，采樣頻率為0.5kHz，實(shí)驗(yàn)所測的穩(wěn)定段時間不小于15s。

實(shí)驗(yàn)測量設(shè)備（壓力傳感器）分別布置在深型陷落腔腔口、垂向中截面及頂截面?zhèn)缺谔?，因深型陷落腔流體運(yùn)動的對稱性沿腔體周向僅布置一半壓力傳感器，為詳細(xì)地觀測腔口處剪切層振蕩特性在腔口處布置了較多的壓力傳感器，傳感器布置圖如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)分析參數(shù)

式中：ν為運(yùn)動粘滯性系數(shù)，m2/s；V∞為流向速度，m/s；L為特征長度，本文取腔口在流向上的長度，m；fm為流體剪切層處自持振蕩的各階頻率，Hz；ρ為實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下流體密度，kg/m3；p′（θ,t）為流體脈動壓力均方根值，Pa。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文實(shí)驗(yàn)流速范圍在0.6～3.39m/s，間隔為0.31m/s，共計10種流速。由腔體內(nèi)三層側(cè)壁脈動壓力分布結(jié)果可以明顯地看出在深型陷落腔體內(nèi)存在復(fù)雜的流體運(yùn)動，為詳細(xì)地揭示腔內(nèi)流激振蕩特性，本文分別從脈動壓力分布規(guī)律和腔口剪切層振蕩特性進(jìn)行分析，文中相對高度yi/H及各邊名稱的定義如圖 3（a）～（c）所示。

4.1 脈動壓力系數(shù)分布特性

4.1.1 脈動壓力系數(shù)周向分布特性

深型陷落腔流體脈動壓力系數(shù)的周向分布規(guī)律見圖4，圖5給出了高雷諾數(shù)時脈動壓力系數(shù)的周向分布規(guī)律。

由圖4（a）～（c）從整體上看Cp′在深型陷落腔內(nèi)周向分布規(guī)律并不一致，但Cp′都隨Re數(shù)的增加而減小。腔口處的脈動壓力系數(shù)分布規(guī)律見圖4（a）和圖5（a），當(dāng)來流流速很小時Cp′波動較大，隨來流流速的增加Cp′的周向分布達(dá)到穩(wěn)定（如（a）），當(dāng)腔口處Cp′達(dá)到穩(wěn)定時Cp′隨θ的增加而略有增大，在腔口隨邊處（θ=127°～180°）的 Cp′比導(dǎo)邊（θ=0°～53°）處的 Cp′大，且在隨邊角點(diǎn)（θ=127°）處 Cp′最大。呈現(xiàn)出隨邊的脈動力＞側(cè)面的脈動力＞導(dǎo)邊處的脈動力，這正證明了在陷落腔腔口處存在剪切層振蕩現(xiàn)象，且越向下游隨邊處剪切層振蕩越為強(qiáng)烈，所以腔口隨邊處存在著最大的Cp′。

由圖4（b）和圖5（b）與腔口處的脈動壓力相比，深型陷落腔中截面處脈動壓力的周向分布較為均勻，Cp′曲線趨于平坦（見圖（b-2）及（a-2））。在相同雷諾數(shù)時腔中截面?zhèn)缺诘腃p′遠(yuǎn)小于腔口隨邊處Cp′，但其值要略大于腔口導(dǎo)邊處的Cp′。

由圖4（c）和圖5（c）可見無論是低雷諾數(shù)還是高雷諾數(shù)，深型陷落腔頂截面處的Cp′在θ=127°（即頂截面下游方向角點(diǎn)處）時陡降為0，而在其它側(cè)點(diǎn)處Cp′值較接近。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)在θ=127°時穩(wěn)態(tài)壓力系數(shù)Cp=0，由此也可說明Cp′陡降為0的原因是在深型陷落腔腔頂截面下游角點(diǎn)處水流沒有流動，所以脈動壓力系數(shù)陡降為0。

4.1.2 脈動壓力系數(shù)垂向分布特性

學(xué)者們更為關(guān)心的是脈動壓力系數(shù)Cp′沿腔體深度方向的變化情況。由上述分析可知高雷諾數(shù)時深型陷落腔內(nèi)Cp′分布趨于穩(wěn)定，且不同雷諾數(shù)時脈動壓力系數(shù)的垂向變化規(guī)律一致，因此圖6以Re=7.94×105為例給出Cp′的垂向分布趨勢。

由圖6清晰可見在yi/H=0.067時θ=135°和180°（即腔口隨邊位置）處的Cp′脈動力最大。隨邊角點(diǎn)（θ=135°）處Cp′隨相對高度的增加而減小，在頂截面處為0，而其它側(cè)點(diǎn)處的脈動壓力隨相對高度的增加而略有增大，呈現(xiàn)出腔體頂截面處Cp′＞中截面處Cp′＞腔口導(dǎo)邊及側(cè)邊處的Cp′。即深腔內(nèi)部也存在著較大的脈動力。腔口隨邊處脈動力最大是因?yàn)殡S邊正對于來流方向，其一是在腔口處剪切層振蕩十分明顯，其二是隨邊壁面會給予來流流體一反向阻力，所以腔口處隨邊脈動力較大；而頂截面處的流體受腔內(nèi)循環(huán)水流運(yùn)動的影響，逆時針運(yùn)動的水流同樣會因壁面給予的反向阻力而產(chǎn)生較大的脈動力（除下游面角點(diǎn)外）。為清晰地理解腔內(nèi)的流動運(yùn)動狀態(tài)圖7給出了深型陷落腔內(nèi)流體運(yùn)動初始時及穩(wěn)定時的矢量圖，以增加腔內(nèi)流體運(yùn)動的感性認(rèn)識，鑒于數(shù)值計算的文章已發(fā)表[8]，本文不再對數(shù)值計算方法及結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)討論。

4.2 深型陷落腔剪切層自持振蕩特性

實(shí)驗(yàn)中存在各種干擾信號所以本文采用Matlab先濾掉各種干擾信號后，再對腔口處剪切層自持振蕩的頻率進(jìn)行分析。圖8給出了不同速度時深型陷落腔剪切層處脈動壓力的自功率圖。

由圖8（a）和（b）可見在相同來流流速時腔口剪切層隨邊處的振蕩頻率是基本一致的，隨來流流速的增加剪切層隨邊處的振蕩頻率增大，脈動力明顯地增強(qiáng)，這證實(shí)了脈動壓力隨Re數(shù)的增加而增強(qiáng)，Cp′隨Re數(shù)的增加而減小。由公式（2）折算出各階頻率對應(yīng)的St數(shù)隨Re的變化為同一常數(shù)值。本文并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法對St～Re的曲線進(jìn)行擬合，擬合公式見公式（4）。圖9中給出了St數(shù)隨Re的變化規(guī)律。

由圖9可見相同階的St數(shù)隨Re數(shù)變化為同一常數(shù)，即

m1≈0.5，m2≈1.1，m3≈1.7。本文折算的St數(shù)比Rossiter[6]在低Ma數(shù)時研究的二維陷落腔剪切層振蕩的 St數(shù)略大（m1≈0.42，m2≈1，m2≈1.57），與何祚鏞[2]測得結(jié)果較為接近（m1≈0.55）。 但深型陷落腔的St數(shù)隨Re數(shù)的變化規(guī)律與二維陷落腔的變化規(guī)律一致[2-6]。同時本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了深型陷落腔在均勻流場作用下St數(shù)的估算公式：

5 結(jié) 論

本文采用一系列的物理實(shí)驗(yàn)研究了深型陷落腔在均勻流場作用下脈動壓力分布特性及剪切層振蕩特性，主要得出以下結(jié)論：

（1）三維深型陷落腔內(nèi)Cp′的周向分布都隨Re數(shù)的增加而減小，但脈動壓力隨Re數(shù)的增加而增加。

（2）三維深型陷落腔腔口隨邊處的Cp′最大，且Cp′隨相對高度的增加而減小，隨邊角點(diǎn)處的Cp′在yi/H=1時陡降為0；腔口導(dǎo)邊及側(cè)面的Cp′隨相對高度的增加而略有增大，即深型陷落腔在頂截面處也存在著較大的脈動力。

（3）均勻流作用下三維深型陷落腔剪切層自持振蕩各階頻率對應(yīng)的St數(shù)隨Re數(shù)的變化為一常數(shù)，此常數(shù)比氣流場作用下的二維陷落腔的值略大。文中給出均勻流中三維深型陷落腔St數(shù)的估算公式。

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[2]何祚鏞.結(jié)構(gòu)振動與聲輻射[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001:147-182.

[3]康 莊.月池流噪聲及水動力特性的實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2006:4-100.

[4]朱習(xí)劍,衣云峰,何祚鏞.突出腔的流激振蕩激勵源[J].哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報,1994,15(1):26-36.

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Experimental research on fluctuating pressure distribution of 3D cave-in cavity

DAI Shao-shi,YAO Xiong-liang,LI Zhuo

(College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Aiming at fluid induced oscillation problem of 3D cave-in cavity owing to separation flow in uniform,a series of physical experiments was carried out.The range of Reynolds number is Re=1.55e5～8.74e5at zero attack angle of incoming.Circumferential and vertical fluid fluctuating pressures along the deep cavein cavity were measured,meanwhile,distribution of fluctuating pressure and oscillation characteristic of shear layer were analyzed.The results of experiment show that the distribution of fluctuating pressure in uniform field is complex.The fluctuating pressure at the leading edge of shear layer is the largest and fluctuating pressure at angular point drops to zero with the relative height increasing.But the fluctuating pressures at the leading edge and side increase a little with the increment of relative height.Moreover the change of St number of shear layer versus Re number is constant,but the value of St number is larger than the value of two dimensions in the air.

deep cave-in cavity;uniform flow;fluid induced oscillation;fluctuating pressure;experimental research

035

A

1007-7294（2010）05-0451-07

2009-11-17

哈爾濱工程大學(xué)國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（B1920070100）

戴紹仕（1976-），女，哈爾濱工程大學(xué)博士生，E-mail:daishaoshi@163.com。

book=457,ebook=44