繞流線型回轉(zhuǎn)體通氣兩相流動的非定常特性

黃 磊， 王生捷， 彭雪明， 何春濤， 段 磊

(北京機(jī)械設(shè)備研究所, 北京 100039 )

繞流線型回轉(zhuǎn)體通氣兩相流動的非定常特性

黃 磊， 王生捷， 彭雪明， 何春濤， 段 磊

(北京機(jī)械設(shè)備研究所, 北京 100039 )

為深入了解通氣兩相流的流場結(jié)構(gòu)及水動力特性，在循環(huán)水洞中利用高速全流場顯示技術(shù)及六分力天平測量技術(shù)，對繞流線型回轉(zhuǎn)體通氣兩相流動的非定常特性進(jìn)行實驗研究. 結(jié)果表明：彈身區(qū)域流場呈均勻分布的水氣兩相混合狀態(tài)，流動穩(wěn)定，非定常特性不明顯；尾部區(qū)域流場較為紊亂，非定常特性明顯，尾部空泡渦的周期性脫落引起模型阻力系數(shù)出現(xiàn)周期性脈動現(xiàn)象. 繞流線型回轉(zhuǎn)體通氣兩相流動的非定常特性與雷諾數(shù)及通氣率有關(guān). 通氣率的增加可降低由于尾部空泡渦的脫落而引起的阻力系數(shù)的波動幅度，而對尾部渦的脫落頻率無明顯影響；隨著雷諾數(shù)的增加，由于尾部空泡渦的脫落而引起的阻力系數(shù)的波動幅度減小，尾部渦的脫落頻率增加.

通氣兩相流；回轉(zhuǎn)體；通氣率；脈動；脫落

微氣泡減阻具有較好的減阻效果和較弱的環(huán)境響應(yīng)[1]，其被認(rèn)為是最有效的減阻方式之一. McCormick等[2]利用電解產(chǎn)生氫氣泡的方法實現(xiàn)了減阻；Madvan等[3]采用多普勒測速儀研究了微氣泡對湍流邊界層的表面摩擦阻力的影響；Jinho等[4]采用平板表面注氣的方法實現(xiàn)減阻；Yoshiaki等[5]在循環(huán)水槽中針對不同平板進(jìn)行了微氣泡減阻實驗；Kato等[6-7]進(jìn)行了平板微氣泡減阻實驗，研究了氣孔直徑對減阻效果的影響特性，結(jié)果表明氣孔直徑對減阻效果影響極大；Sheng等[8]通過田口分析法研究了通氣量、通氣面積、氣泡尺寸及來流速度對平板微氣泡減阻效果的影響，結(jié)果表明通氣量是主要影響因素；Deutsch等[9-10]采用通氣縫出流方式，針對回轉(zhuǎn)體模型研究了軸向壓力梯度及氣體成分對減阻效果的影響； Sanders等[11]提出了通過多孔質(zhì)板向平板邊界層內(nèi)注入微氣泡的方式，研究了不同速度下減阻效果隨通氣量的變化特性；Elbing等[12]改進(jìn)了通氣縫式出流方式，并對比了不同出流方式下的減阻效果. 董文才等[13]通過在回轉(zhuǎn)體模型首部及中部開孔的方式，研究了不同區(qū)域組合通氣對氣泡減阻效果的影響；傅慧萍[14]研究了重力對平板氣泡減阻的影響特性，認(rèn)為重力對氣泡減阻效率影響較大；李杰等[15]探索了尺寸效應(yīng)及雷諾數(shù)對氣泡減阻的影響特性. 由于通氣兩相流非定常過程的影響，模型阻力曲線會出現(xiàn)脈動現(xiàn)象，繼而影響水中航行體的穩(wěn)定性. 而目前針對氣泡減阻的研究都是以阻力為研究對象進(jìn)行的，并未對阻力時域曲線進(jìn)行脈動分析.

本文針對微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體模型，在封閉循環(huán)水洞中進(jìn)行了通氣兩相流非定常特性實驗研究，討論了雷諾數(shù)Re及通氣率Qv對流動非定常特性及模型水阻力脈動特性的影響.

1 實驗設(shè)備

實驗在循環(huán)水洞中進(jìn)行，水洞具體參數(shù)參見文獻(xiàn)[16]. 研究中采用六分力天平、水下絕壓傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像觀察系統(tǒng)，分別對實驗過程中的模型水阻力、通氣量、流速、流場等進(jìn)行記錄.

實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，六分力天平安裝于實驗?zāi)Ｐ臀膊浚⑴c水洞尾支撐段固定連接. 天平測得的模型阻力數(shù)據(jù)通過動態(tài)測試分析系統(tǒng)進(jìn)行采集，采集頻率為1 024Hz，采集時間為8s，測量誤差±0.1N. 模型尾部距軸線16mm處安裝水下絕壓傳感器，壓力傳感器量程為0～100kPa，線性精度為0.2%FS，采集頻率為1 024Hz，采集時間為8s. 回轉(zhuǎn)體模型長250mm、直徑40mm，采用流線型頭型以降低流場擾流對氣泡減阻實驗的影響. 模型表面微孔孔徑為0.8mm，沿軸向等距交錯分布，共4排，排間距12mm，首排孔距頭部40mm；每排共8個，且沿圓周方向均勻布置.

圖1 實驗?zāi)Ｐ?/p>

2 試驗結(jié)果分析與討論

本研究定義雷諾數(shù)Re、通氣率Qv、壓力系數(shù)Cp、阻力系數(shù)CD作為量綱一參數(shù)，且

Re=VL/υ,Qv=Qin/(VS),

Cp=p/(0.5ρV2),CD=R/(0.5ρV2S).

式中：V為水洞工作段流速，L為實驗?zāi)Ｐ烷L度，υ為水的動力黏度，Qin為通氣量，S為回轉(zhuǎn)體截面積，p為模型尾部壓力，R為模型阻力.

2.1 典型工況下的非定常特性分析

本節(jié)通過分析模型水動力時域、頻域曲線及流場形態(tài)，研究典型工況下的繞流線型回轉(zhuǎn)體通氣兩相流動的非定常特性. 圖2為雷諾數(shù)Re=2.03×106、通氣率Qv=0.014下模型阻力系數(shù)的時域曲線. 由圖2可知，測量時間內(nèi)阻力系數(shù)平均值基本不變，且阻力系數(shù)存在周期性脈動現(xiàn)象.

圖2 阻力系數(shù)時域曲線(Re=2.03×106，Qv=0.014)Fig.2 Drag coefficient versus time(Re=2.03×106，Qv=0.014)

為了更好地研究典型工況下的實驗?zāi)Ｐ妥枇ο禂?shù)的脈動特性，分析脈動頻率，采用FFT變換將實驗?zāi)Ｐ妥枇ο禂?shù)信號的時域特性轉(zhuǎn)換為頻域特性進(jìn)行分析. 圖3為雷諾數(shù)Re=2.03×106、通氣率Qv=0.014下模型阻力系數(shù)的頻域曲線.

圖3 阻力系數(shù)頻域曲線(Re=2.03×106，Qv=0.014)

Fig.3 Frequency domain curve of drag coefficient (Re=2.03×106，Qv=0.014)

由圖3可知，模型阻力系數(shù)變化的周期性較為明顯，從功率譜密度較大可以看出，阻力系數(shù)變化的頻率基本上為7.5 Hz.

圖4、5分別給出了雷諾數(shù)Re=2.03×106、通氣率Qv=0.014下尾部壓力系數(shù)的時域及頻域曲線. 由圖4、5可知，測量時間內(nèi)尾部壓力系數(shù)均值基本不變，同樣存在周期性脈動現(xiàn)象，脈動頻率與模型阻力系數(shù)脈動頻率相同，為7.5Hz. 模型阻力由壓差阻力及摩擦阻力兩部分組成，尾部壓力的變化將引起模型阻力的變化，因此可認(rèn)為尾部壓力的周期性脈動是引起模型阻力周期性脈動的主要原因.

圖6為Re=2.03×106， Qv=0.014時通氣兩相流動形態(tài)隨時間變化過程，圖7為通氣兩相流形態(tài)圖. 分析可知，氣體經(jīng)微孔噴出，在液相剪切流速的作用下形成氣液兩相流動，并沿下游發(fā)展. 在微孔近后方氣泡表面光滑，緊貼壁面，呈細(xì)長透明形態(tài)；

圖4 壓力系數(shù)時域曲線(Re=2.03×106，Qv=0.014)

Fig.4 Pressure coefficient versus time(Re=2.03×106， Qv=0.014)

圖5 壓力系數(shù)頻域曲線(Re=2.03×106，Qv=0.014)

Fig.5 Frequency domain curve of pressure coefficient(Re=2.03×106，Qv=0.014)

圖6 通氣兩相流的非定常過程(Re=2.03×106，Qv=0.014)

圖7 通氣兩相流形態(tài)

繼續(xù)沿彈體表面向下游發(fā)展，細(xì)長透明氣泡逐漸分裂成大量細(xì)碎氣泡，流動區(qū)域內(nèi)氣泡與液相相互摻混，最終呈現(xiàn)均勻分布的水氣兩相混合狀態(tài). 各時刻彈身區(qū)域氣液兩相流流動較為穩(wěn)定，非定常特性不明顯. 進(jìn)入尾部區(qū)域，氣泡在尾部低壓作用下形成回流，與液相相互摻混最終形成水氣劇烈交換的云霧狀模糊形態(tài).回流區(qū)流場較為紊亂，水氣混合邊界呈收縮橢圓形，流動非定常特性明顯，并伴有大尺度的云霧狀空泡渦的斷裂脫落現(xiàn)象，而且空泡渦的斷裂脫落過程有明顯的周期性. 在t時刻空泡渦開始形成，并開始逐漸脫離尾部主流場的作用；在t+100ms時刻，空泡渦完全脫落離尾部主流場，并開始沿來流方向運動. 尾部流場非定常變化的過程為空泡渦脫落的準(zhǔn)周期運動過程，脫落周期約為100ms. 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，尾部渦的脫落周期與尾部壓力系數(shù)脈動頻率相近，因此可認(rèn)為，尾部渦的周期性脫落引起尾部壓力系數(shù)產(chǎn)生周期性脈動現(xiàn)象，繼而導(dǎo)致模型阻力系數(shù)出現(xiàn)周期性脈動.

2.2 流動參數(shù)對水動力脈動特性影響

圖8給出了Re=1.49×106、2.03×106、2.48×106下，模型阻力系數(shù)的波動范圍隨通氣率的變化過程.

(a)Re=1.49×106

(b) Re=2.03×106

(c) Re=2.48×106

圖中波動幅度為最大阻力系數(shù)及最小阻力系數(shù)之差. 由圖8可知，3種雷諾數(shù)下阻力系數(shù)脈動變化規(guī)律一致，存在飽和通氣率；隨著通氣率的增加，模型阻力系數(shù)平均值下降，波動范圍減小，直至飽和通氣率；此后，繼續(xù)增加通氣率，阻力系數(shù)均值及其波動范圍變化不明顯. 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Re=1.49×106時，未通氣下的阻力系數(shù)波動幅度及飽和通氣率下的阻力系數(shù)波動幅度分別為0.053及0.040，Re=2.03×106時分別為0.028及0.019，Re=2.48×106時分別為0.026及0.016，由此可知雷諾數(shù)的增加將使阻力系數(shù)波動幅度降低. 綜上分析，通氣率及雷諾數(shù)的增加都將降低模型阻力系數(shù)的波動幅度. 進(jìn)一步分析認(rèn)為，通氣率及雷諾數(shù)的增加使得兩相流的不穩(wěn)定性增加，模型尾部湍流摻混增強(qiáng)，從而引起尾部繞流分離點向下游移動，使得尾部回流區(qū)減弱，繼而降低了阻力系數(shù)的脈動幅度，這與經(jīng)典的流動分離理論相似.

圖9給出了Re=1.49×106、2.03×106、2.48×106下，模型阻力系數(shù)脈動頻率隨通氣率的變化特性.

(a)Re=1.49×106

(b)Re=2.03×106

(c)Re=2.48×106

3 結(jié) 論

1)描述了典型工況下通氣兩相流的流動過程，彈身區(qū)域流場呈均勻分布的水氣兩相混合狀態(tài)，流動穩(wěn)定，非定常特性不明顯；尾部區(qū)域流場較為紊亂，非定常特性明顯，尾部空泡渦的周期性脫落引起模型阻力系數(shù)出現(xiàn)周期性脈動現(xiàn)象.

2) 繞流線型回轉(zhuǎn)體通氣兩相流動的非定常特性與雷諾數(shù)及通氣率有關(guān). 通氣率的增加可降低由于尾部渦的脫落而引起的阻力系數(shù)的波動幅度，而對尾部渦的脫落頻率無明顯影響；隨著雷諾數(shù)的增加，由于尾部渦的脫落而引起的阻力系數(shù)的波動幅度減小，尾部渦的脫落頻率增加.

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(編輯 楊 波)

Unsteady characteristics of ventilated two-phase flow around an streamlined cylinder

HUANG Lei, WANG Shengjie, PENG Xueming, HE Chuntao, DUAN Lei

(Beijing Mechanical Equipment Institute, Beijing 100039， China)

To explore the unsteady characteristics of two-phase flows and hydrodynamic force, the experiment with micro-hole array on a streamlined cylinder had been conducted by applying the high speed camera system and six-component balance system. Reynolds numbers and air entrainment coefficient are defined. Some conclusions can be drawn as follows: Elastic body area flow field is evenly distributed water and gas two-phase hybrid state, flow stability, non steadiness is not obvious; Tail areas flow field is more disordered, the unsteady characteristic is obvious, and the tail periodic shedding causes a cyclical fluctuation phenomenon of vortex cavitation resistance coefficient. The unsteady characteristic of ventilated two-phase flow around a streamlined cylinder relates to the Reynolds number and air entrainment coefficient. The fluctuating range of drag coefficient decreases and the vortex shedding frequency remains unchanged as the air entrainment coefficient increases, and they all increase as the Reynolds numbers increases.

ventilated two-phase flows; axisymmetric model; air entrainment coefficient; fluctuating; shedding

10.11918/j.issn.0367-6234.201605076

2016-05-17

黃 磊(1980—)，男，博士研究生； 王生捷(1963—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師

黃 磊，411576734@qq.com

TV131.2

A

0367-6234(2017)07-0178-05