并列雙圓柱尾流切向噴射控制研究

袁方洋, 曹 陽, 凃程旭, 鄒 衡

(1.江南大學(xué) 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無錫 214122; 2.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院, 杭州 310018; 3.浙江省安全生產(chǎn)協(xié)會(huì), 杭州 310018)

0 引 言

鈍體繞流及其渦激振蕩問題廣泛存在于橋梁、建筑、航空航天等工程領(lǐng)域。例如，橋梁拉索和橋墩、高空及海底電纜、海底石油管線、遠(yuǎn)洋鉆井平臺(tái)臺(tái)柱、城市高層建筑和換熱器管束等[1-3]。特別是在工程應(yīng)用中，鈍體結(jié)構(gòu)常以成對(duì)圓柱、圓柱陣列出現(xiàn)，容易引發(fā)繞多圓柱流動(dòng)的渦激振蕩現(xiàn)象。當(dāng)流體以一定的速度繞過鈍體時(shí)，交替脫落的渦旋使鈍體受到橫向的交變荷載，一旦荷載的頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率一致，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，使結(jié)構(gòu)振幅劇增造成結(jié)構(gòu)破壞。因此，深入研究繞多圓柱流動(dòng)的尾流控制方法及其機(jī)理具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

與流體繞單圓柱流動(dòng)相比，雙圓柱尾流的流型、流場(chǎng)分布及流體動(dòng)力特性等都有其自身特點(diǎn)[4]，它除了受雷諾數(shù)Re的影響外，對(duì)兩圓柱的中心距比T/D也非常敏感。根據(jù)來流方向的不同，均勻來流中的雙圓柱分布可以分成串列、并列和錯(cuò)列3種形式。并列布置的雙圓柱繞流會(huì)出現(xiàn)鄰近干擾。根據(jù)T/D的大小，可以將尾流流型分為單鈍體流型(1

根據(jù)有無額外能量的輸入，鈍體尾流的控制方法可分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制2大類。被動(dòng)控制主要通過調(diào)整鈍體的幾何外形，譬如，改變圓柱體的表面粗糙度、安裝螺旋箍線等[6]來迫使剪切邊界層在分離前轉(zhuǎn)捩為湍流而引入主流區(qū)的動(dòng)量，從而增強(qiáng)其抵抗逆壓梯度的能力；或通過在鈍體下游布置隔離板或小尺度控制件，直接控制尾流。張鵬飛等[7]利用后置的隔離板，對(duì)Re=200、T/D=1.5的并列雙圓柱尾流進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明合適位置的隔離板能在一定程度上抑制偏流，但并不能很好地控制渦旋脫落。Oru?等[8]則將寬度小于5D的隔離板安裝在并列雙圓柱流向中心面上，也得到類似的結(jié)論?？梢姡@類被動(dòng)控制方法并不能有效抑制并列雙圓柱尾流。陳文禮等[9-10]研究了在圓柱前駐點(diǎn)附近開孔吸氣并在后駐點(diǎn)附近開孔噴射氣流的繞流控制方法，實(shí)驗(yàn)表明開更多孔可有效減少模型的阻力,并抑制風(fēng)載荷的脈動(dòng)振幅，能使周期性的渦結(jié)構(gòu)消失。受射流的作用，尾渦脫落從反對(duì)稱模式轉(zhuǎn)換為對(duì)稱模式。

常見的主動(dòng)控制有采用圓柱繞其中心軸旋轉(zhuǎn)的方法。Yoon等[11]首次對(duì)雷諾數(shù)為100的并列旋轉(zhuǎn)雙圓柱進(jìn)行了數(shù)值仿真，隨后他們又發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)臨界相對(duì)轉(zhuǎn)速使尾流的控制效果最好[12]。課題組利用PIV實(shí)驗(yàn)技術(shù)和浸沒式格子玻爾茲曼方法對(duì)中等雷諾數(shù)(Re=425～1130)并列旋轉(zhuǎn)雙圓柱繞流問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)并列旋轉(zhuǎn)雙圓柱的尾渦控制機(jī)理與單旋轉(zhuǎn)圓柱繞流有很大不同。當(dāng)雙圓柱反向旋轉(zhuǎn),即對(duì)稱軸線附近圓柱表面與流向相反時(shí)，圓柱旋轉(zhuǎn)對(duì)尾流的控制最有效[13-15]。孫姣等[16]采用PIV對(duì)Re=1000、不同圓柱轉(zhuǎn)速比下的圓柱尾流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速比在2～5之間時(shí)，尾跡流場(chǎng)的周期性減弱，渦脫落現(xiàn)象得到抑制。

此外，在鈍體尾部開縫或開孔,進(jìn)行噴射或抽吸也是一種有效的主動(dòng)控制方法[17-21]。合成射流(Synthetic jet)技術(shù)是一種射流速度周期性變化，總質(zhì)量流量為0的噴射/抽吸主動(dòng)控制方法。馮立好等[17-19]發(fā)現(xiàn)將合成射流置于圓柱后駐點(diǎn)位置時(shí)，尾渦脫落模式會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，如呈對(duì)稱渦脫落模式。他們采用本征正交分解方法(POD)比較變化激勵(lì)頻率對(duì)流場(chǎng)信息的影響后，發(fā)現(xiàn)合成射流在某一范圍內(nèi)對(duì)前四階模態(tài)的影響隨著激勵(lì)頻率的增大而逐漸明顯。隨后，該課題組又在圓柱前駐點(diǎn)施加某一基于標(biāo)準(zhǔn)正弦波形式修正后的合成射流，發(fā)現(xiàn)通過增大吸氣占空比系數(shù)可提高合成射流對(duì)尾渦的控制[20]。Wang等[21]基于格子玻爾茲曼方法研究了低雷諾數(shù)時(shí)，對(duì)單圓柱背風(fēng)側(cè)四分之一弧處施加對(duì)稱的合成射流以控制尾渦渦激振蕩的方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)射流動(dòng)量系數(shù)(Jet momentum coefficient)足夠高、且頻率接近渦脫落的自然頻率時(shí)，卡門渦街可以被有效控制。

目前，采用噴射方法控制圓柱尾流引起的渦激振蕩的研究已有一些，但針對(duì)并列雙圓柱尾流控制作用及機(jī)理的研究尚不充分，特別是在圓柱切向位置開孔并施加噴射射流的主動(dòng)控制尾渦的方法較少見于文獻(xiàn)。邵傳平等[2]比較了噴射與吸入式控制方法的效果，發(fā)現(xiàn)噴射方法抑制渦脫落的效果好。因此，本文選擇連續(xù)噴射式控制方法，考察在并列雙圓柱表面切向開孔并施加一對(duì)恒定噴射氣流的方法，以抑制并列雙圓柱渦致振蕩現(xiàn)象，并著重討論不同噴射角度及噴射動(dòng)量系數(shù)的影響，以確定雙圓柱尾流切向噴射的有效控制方法，為后續(xù)的主動(dòng)閉環(huán)控制提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)在中國計(jì)量大學(xué)的回流式循環(huán)風(fēng)洞中開展。風(fēng)洞由實(shí)驗(yàn)段、風(fēng)機(jī)、擴(kuò)壓段、整流段和收縮段組成。實(shí)驗(yàn)段長2 m，截面(由透明有機(jī)玻璃鑲嵌于鋼框架封閉而成)尺寸為600 mm×600 mm，見圖1。實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速范圍為0.5～30 m/s，湍流度小于0.5%。圓柱模型為2根有機(jī)玻璃管，直徑為30 mm，長度為590 mm；圓柱壁厚為2 mm，其兩端通過軸承支座水平支撐于風(fēng)洞側(cè)壁。圓柱水平打孔沿展向跨度為400 mm，相鄰2個(gè)孔間間距為5 mm，孔徑為1 mm。圓柱一端封閉，另一端配一個(gè)鋁合金金屬連接器，方便與高壓氣源連接，實(shí)現(xiàn)并列雙圓柱的氣源穩(wěn)定供應(yīng)，如圖2所示。

圖1 風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 控制實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)采用德國Lavision公司的PIV系統(tǒng)捕捉并列雙圓柱體尾流的瞬態(tài)速度矢量場(chǎng)，系統(tǒng)布置如圖3所示。該系統(tǒng)由雙脈沖Nd:YAG激光器、CCD相機(jī)、同步控制器及計(jì)算機(jī)組成。其中激光器產(chǎn)生532 nm的綠色片光，額定脈沖能量為125 mJ，激光重復(fù)率為15 Hz。CCD相機(jī)分辨率為1600 pixel×1200 pixel。示蹤粒子由壓力噴嘴(Laskin 噴嘴)式煙霧發(fā)生器霧化產(chǎn)生，并在實(shí)驗(yàn)段撒播，經(jīng)歷一定時(shí)間的充分循環(huán)后粒子濃度可達(dá)到測(cè)量要求。所有流動(dòng)測(cè)量都位于柱體展向中間截面。實(shí)驗(yàn)使用ME公司K3D40型號(hào)的三分力傳感器采集圓柱在x/y/z等3個(gè)方向上的動(dòng)態(tài)受力情況。傳感器的精度等級(jí)為0.5%，線性誤差SN為0.2%，輸出信號(hào)為0.5 mV，量程范圍為-2～2 N。動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)選擇東華測(cè)試的8通道DH5921。

圖3 PIV系統(tǒng)安裝圖

風(fēng)洞來流速度U∞為1.9 m/s，實(shí)驗(yàn)氣溫為20℃，此時(shí)Re約為4000。將并列雙圓柱中心距比T/D固定為1.1(T為兩圓柱中心距，D為圓柱直徑)，阻塞率為10%。圖4給出了噴射尾流控制截面示意圖，其中噴射角為θ，范圍為0°～45°。噴射壓強(qiáng)為p，范圍為43～276 kPa，對(duì)應(yīng)切向噴射速度為Ue，切向噴射的射流強(qiáng)度可由射流動(dòng)量系數(shù)表征[22]：

(1)

其中，Qm為噴口處的質(zhì)量流量，A為小孔面積。噴射壓強(qiáng)43、129、172、207、241和276 kPa分別對(duì)應(yīng)0.029、0.135、0.218、0.304、0.405和0.583的射流動(dòng)量系數(shù)。

圖4 噴射尾流控制截面示意圖

2 結(jié)論與分析

2.1 噴射角對(duì)并列雙圓柱尾流的影響

圖5和6分別給出了射流動(dòng)量系數(shù)較低(Cμ= 0.029和0.218)時(shí)，不同切向噴射角θ下，并列雙圓柱尾流場(chǎng)的流線圖及時(shí)均速度矢量圖。當(dāng)θ=0°時(shí)，即切向噴射位置為雙圓柱截面上下側(cè)端點(diǎn)，噴射方向與來流方向平行，圓柱尾流脫落的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)依然存在，流場(chǎng)呈現(xiàn)為明顯的偏流流型(Biased flow)，噴射氣流對(duì)渦旋結(jié)構(gòu)幾乎沒有控制作用，尾渦依然是寬尾流形態(tài)(圖5(e))。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)θ=0°～20°時(shí)，控制效果都不明顯。

當(dāng)θ增加到25°～35°時(shí)，噴射勢(shì)流與雙圓柱繞流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相耦合，呈現(xiàn)出上、下成對(duì)的切向射流對(duì)尾流寬度及長度的抑制。由于所施加的成對(duì)切向射流會(huì)在雙圓柱對(duì)稱軸線處匯合，因此在圓柱尾部，射流流動(dòng)的動(dòng)量高于尾流的渦旋動(dòng)量時(shí)，即可控制住該區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)發(fā)展。在y方向，尾渦的影響區(qū)域被限制在兩圓柱范圍內(nèi)(Δy≤D+T)，呈現(xiàn)窄尾流形態(tài)[23]。來流方向，在上下兩股射流相遇處，尾流不再發(fā)展成大的渦系結(jié)構(gòu)，且無法向下游(x≥3D)發(fā)展，大大降低了其對(duì)下游流場(chǎng)的影響。此時(shí)，在切向噴射射流所誘導(dǎo)的強(qiáng)剪切層的作用下，尾流控制效果明顯，近圓柱的尾渦被限制在一個(gè)很小的近尾流區(qū)域內(nèi)，此時(shí)流動(dòng)主體結(jié)構(gòu)逐漸接近臨界雷諾數(shù)以下的單圓柱繞流的尾流。當(dāng)θ達(dá)到45°時(shí)，氣流流經(jīng)圓柱脫落的尾渦依然存在，但被進(jìn)一步抑制在一個(gè)更小的近圓柱三角形區(qū)域 (x≤1.5D)。由于本研究雷諾數(shù)比較大，在此圓柱間距下，并列雙圓柱的間隙處有著較強(qiáng)的間隙流[4-5]，如圖5(a)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，間隙流并不平行于兩圓柱對(duì)稱軸，而是向上(或向下)偏，呈現(xiàn)偏向間隙流形態(tài)。這也導(dǎo)致圓柱后尾渦強(qiáng)度不同，產(chǎn)生一窄一寬的近尾流，流態(tài)呈現(xiàn)不對(duì)稱，為雙穩(wěn)態(tài)偏向流。不施加切向噴射時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典的研究相符[4-5]。圖5(e)～(h)給出Cμ= 0.029時(shí)不同噴射角度下的時(shí)均速度矢量場(chǎng)，可以看到遠(yuǎn)場(chǎng)速度矢量基本對(duì)稱。

圖5 Cμ=0.029時(shí)尾流場(chǎng)流線圖與時(shí)均速度矢量圖

當(dāng)切向射流動(dòng)量系數(shù)達(dá)到Cμ=0.405時(shí)，噴射角θ分別為35°、42°和45°時(shí)并列雙圓柱尾流場(chǎng)的流線圖如圖7所示。由于此時(shí)射流強(qiáng)度更高，且射流方向趨于兩圓柱對(duì)稱軸線，射流勢(shì)流區(qū)在圓柱背部的主導(dǎo)作用更為明顯，切向噴射附近的流線更為密集。在35°的噴射角下(圖6(c)與圖7(a))，氣流噴射對(duì)尾渦的控制作用更強(qiáng)。當(dāng)θ增加到42°時(shí)，近圓柱處小尺度渦旋結(jié)構(gòu)逐漸消失，流體回流不再發(fā)生。當(dāng)θ=45°時(shí)，圓柱尾渦完全消失，此時(shí)控制效果最佳。從圖5(d)、圖6(e)和圖7(c)可以看到，當(dāng)噴射角度在45°時(shí)，下游尾流的流動(dòng)方向稍向一側(cè)傾斜。

圖6 Cμ=0.218時(shí)尾流場(chǎng)流線圖與時(shí)均速度矢量圖

圖7 Cμ=0.405時(shí)尾流場(chǎng)流線圖

2.2 噴射壓強(qiáng)對(duì)并列雙圓柱尾流的影響

圖8和9分別給出了θ=25°、35°時(shí)，不同噴射動(dòng)量系數(shù)下并列雙圓柱尾流場(chǎng)流線圖。比較3張圖可知，近圓柱尾流基本被控制在x≤2.5D、Δy≤D+T的三角形區(qū)域內(nèi)，但是噴射壓強(qiáng)的增加對(duì)進(jìn)一步控制尾流沒有明顯效果。

圖8 θ=25°時(shí)尾流場(chǎng)流線圖

圖10為θ=45°時(shí)，不同噴射動(dòng)量系數(shù)時(shí)并列雙圓柱尾流場(chǎng)的流線圖。在噴射動(dòng)量系數(shù)較小時(shí)(Cμ=0.135)，即便噴射角度較大，渦旋仍然會(huì)從圓柱尾部脫落形成。在噴射氣流的強(qiáng)剪切作用下，渦旋迅速被抑制，不向下游發(fā)展。切向射流動(dòng)量系數(shù)達(dá)到0.304時(shí)，圓柱尾渦的渦旋結(jié)構(gòu)完全消失，尾流得到充分的控制。

圖9 θ=35°時(shí)尾流場(chǎng)流線圖

綜上所述，在不同切向噴射角θ和射流動(dòng)量系數(shù)Cμ時(shí)，并列雙圓柱尾流被控制的效果可以分為3個(gè)區(qū)域，如圖11所示。當(dāng)θ=0°～20°時(shí)，幾乎沒有控制效果，圓柱尾流得不到任何控制，此處稱為“無效區(qū)”；當(dāng)θ=25°～42°時(shí)，有一定的控制效果，與不加控制相比，能把渦旋控制在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)，并且噴射壓強(qiáng)p越大，尾流越容易控制，此處稱為“非完全控制區(qū)”；當(dāng)θ≥45°時(shí)，控制效果最優(yōu)，只要施加一定強(qiáng)度的射流，就基本能消除大尺度渦旋結(jié)構(gòu)，此處稱為“完全控制區(qū)”。

2.3 不同控制區(qū)的升力頻譜分析

將風(fēng)洞天平測(cè)得的圓柱受力數(shù)據(jù)經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)獲取功率譜圖(見圖12)，用以表征圓柱繞流場(chǎng)渦致振動(dòng)的抑制效果。橫坐標(biāo)為斯特勞哈爾數(shù)St，縱坐標(biāo)P為升力功率譜值。

圖10 θ=45°時(shí)尾流場(chǎng)流線圖

圖11 Re=4000切向噴射尾流控制效果分區(qū)

在雷諾數(shù)為4000時(shí)，St保持在0.21左右，與經(jīng)典結(jié)果相符[24]，此時(shí)可觀察到較為規(guī)則的卡門渦街。在并列雙圓柱尾流引入切向噴射后，調(diào)整噴射角為10°時(shí)，可以看到雙圓柱尾流渦量并未受到較為明顯的抑制。并且渦量狀況并不會(huì)隨著動(dòng)量系數(shù)的增加而受到抑制，此時(shí)處于“無效區(qū)”(見圖12(a)～(b))。當(dāng)噴射角增大到20°時(shí)，隨著噴射壓強(qiáng)p的逐漸增大，升力功率峰值有所降低，出現(xiàn)了一定的控制效果；并且，隨著噴射角θ的進(jìn)一步增大，圓柱所受升力的峰值功率進(jìn)一步降低，表明切向噴射對(duì)尾流的抑制作用在進(jìn)一步加強(qiáng)，此時(shí)處于“不完全控制區(qū)”(見圖12(c)～(d))。在噴射角達(dá)到45°時(shí)，更大的射流動(dòng)量系數(shù)對(duì)渦街抑制效果更為顯著。當(dāng)噴射壓強(qiáng)升到0.1 MPa時(shí)，升力功率峰值已降至不加控制時(shí)的10%左右，且隨著噴射壓強(qiáng)的增加，控制效果更加明顯，該噴射角度下射流動(dòng)量系數(shù)對(duì)尾流渦街的控制效率也得到增強(qiáng)(見圖12(e))。

圖12 圓柱升力功率頻譜分析

3 結(jié) 論

本文采用PIV測(cè)速系統(tǒng)和三分力測(cè)力系統(tǒng)研究了切向噴射方法對(duì)并列雙圓柱尾流的主動(dòng)控制。針對(duì)雷諾數(shù)為4000、圓柱中心距比為1.1的并列雙圓柱繞流，研究了噴射角度及噴射動(dòng)量系數(shù)對(duì)尾流的抑制特性。風(fēng)洞天平與PIV測(cè)得的數(shù)據(jù)基本吻合。得出結(jié)論如下：

(1) 雷諾數(shù)為4000、圓柱中心距比為1.1的并列雙圓柱繞流流場(chǎng)呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)偏流流型，偏向間隙流的存在將導(dǎo)致圓柱附近時(shí)均尾流場(chǎng)沿雙圓柱中心軸線不對(duì)稱。

(2) 根據(jù)圓柱尾流渦旋的分布情況和升力頻譜分析，發(fā)現(xiàn)可以將切向噴射尾流的控制效果分為無效區(qū)(θ≤20°或Cμ<0.135)、非完全控制區(qū)(θ>20°且Cμ>0.135)和完全控制區(qū)(θ>35°且Cμ>0.304)。

(3) 在非完全控制區(qū)，切向噴射誘導(dǎo)的射流勢(shì)流區(qū)將并列雙圓柱寬尾流抑制為窄尾流，渦系分布范圍控制收縮在近尾流的一個(gè)三角形區(qū)域內(nèi)。隨著噴射角的增大或是噴射動(dòng)量系數(shù)的增大，圓柱所受升力的頻譜峰值逐漸降低。在完全控制區(qū)，并列雙圓柱尾流完全被消除，從時(shí)均場(chǎng)上看已無明顯的渦旋存在，此時(shí)控制效果最優(yōu)。