覆蓋多孔介質(zhì)的圓柱尾跡實(shí)驗(yàn)研究

魏 崢, 夏 超, 袁海東, 李啟良, 楊志剛,*

(1.上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804;2. 同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心, 上海 201804)

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覆蓋多孔介質(zhì)的圓柱尾跡實(shí)驗(yàn)研究

魏 崢1,2, 夏 超1,2, 袁海東1,2, 李啟良1,2, 楊志剛1,2,*

(1.上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804;2. 同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心, 上海 201804)

利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了多孔介質(zhì)對(duì)圓柱繞流的影響，通過熱線、煙線和粒子圖像測速對(duì)有/無覆蓋多孔介質(zhì)柱體尾跡的頻率特征、平均流場和瞬時(shí)流場進(jìn)行了測量和分析，進(jìn)而探究多孔介質(zhì)與流場之間的作用機(jī)理。結(jié)果表明：引入多孔介質(zhì)后，尾跡的大尺度渦脫落結(jié)構(gòu)得到有效抑制，圓柱渦脫落頻率降低；多孔介質(zhì)減弱了近尾跡場的速度功率譜密度峰值，增大了遠(yuǎn)場的速度功率譜密度峰值，渦脫落位置延后；多孔介質(zhì)減小了尾跡區(qū)的速度，拓寬了尾跡的寬度，使得兩側(cè)剪切層變得細(xì)長，削弱了它們之間的相互作用，減緩了兩側(cè)渦相互作用的速率；同時(shí)，多孔介質(zhì)減小了尾跡區(qū)的速度脈動(dòng)以及雷諾應(yīng)力，雷諾應(yīng)力和平均渦量的峰值更加遠(yuǎn)離圓柱，減弱了剪切層的不穩(wěn)定性，增大了渦形成長度。

圓柱；多孔介質(zhì)；尾跡；粒子圖像測速

0 引 言

圓柱，作為典型的鈍體，在飛機(jī)起落架、高速列車受電弓、風(fēng)力發(fā)電桅桿等，有著廣泛的應(yīng)用。圓柱尾流區(qū)渦流的產(chǎn)生和變化對(duì)阻力、振動(dòng)和噪聲有重要影響。因此，研究圓柱周圍流場及其控制方法具有重要的工程意義。

通常來說，按照是否需要外界提供能量，流動(dòng)控制方法可分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。主動(dòng)控制需要提供復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，例如等離子體發(fā)生器，聲激勵(lì)等[1]。被動(dòng)控制不需要能量，簡單、有效、更易實(shí)施，例如柔性壁[2]、改變表面形狀等[3]。另一種可行的措施是在鈍體表面覆蓋多孔介質(zhì)[4-5]。多孔介質(zhì)改變鈍體周圍流場的特性，如表面壓力分布、氣動(dòng)力脈動(dòng)、速度場、渦脫落頻率和尾跡結(jié)構(gòu)。Sueki等[6-7]對(duì)包裹多孔介質(zhì)的圓柱和高速列車受電弓進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)測量其產(chǎn)生的噪聲，明確了多孔介質(zhì)的降噪效果。Ruck等[8]通過阻力測量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在圓柱背風(fēng)側(cè)覆蓋多孔介質(zhì)可以降低阻力達(dá)8%，而后又對(duì)其進(jìn)行壓力測量得出造成上述結(jié)果的原因是背風(fēng)側(cè)覆蓋的多孔介質(zhì)使該處相比于光滑圓柱體壓力系數(shù)有所增加；同時(shí)利用PIV分析了流場，表明背風(fēng)側(cè)覆蓋多孔介質(zhì)的圓柱其分離渦位置延后，湍動(dòng)能和速度脈動(dòng)減小[9]。Liu等[10-11]對(duì)二維圓柱進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明多孔介質(zhì)減小了氣動(dòng)力脈動(dòng)的幅值和頻率，降低渦脫落頻率，使得尾跡結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，具有降噪的效果。

目前國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)覆蓋多孔介質(zhì)的圓柱的尾跡進(jìn)行了一定的研究，并且明確了其對(duì)降噪的貢獻(xiàn)以及在實(shí)際工程中的作用。但是，在分析其對(duì)流場的影響機(jī)理上大多基于二維仿真結(jié)果，試驗(yàn)方面還有所欠缺。基于此，本文通過一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)研究圓柱覆蓋多孔介質(zhì)前后尾跡流場的變化，并對(duì)多孔介質(zhì)與流場之間的作用機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的探究和分析。

本文主要利用熱線試驗(yàn)測量圓柱尾跡設(shè)定測點(diǎn)的瞬時(shí)流向速度以獲得其頻率特征；煙線試驗(yàn)捕捉流動(dòng)細(xì)節(jié)，呈現(xiàn)瞬時(shí)渦結(jié)構(gòu)；粒子圖像測速(PIV)技術(shù)測量圓柱水平面上的瞬時(shí)流場，進(jìn)而可得到平均流場、速度脈動(dòng)、渦形成長度和雷諾應(yīng)力等。針對(duì)有/無覆蓋多孔介質(zhì)的圓柱的流場結(jié)果對(duì)比分析，探究多孔介質(zhì)對(duì)圓柱尾跡的控制機(jī)理。

1 多孔介質(zhì)和試驗(yàn)柱體

多孔材料根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為開孔式和閉孔式[12]。閉孔式各空隙之間相互獨(dú)立，對(duì)流場影響效果小；而三維蜂窩狀的開孔式結(jié)構(gòu)對(duì)流場有明顯的干擾作用[7]。本文研究對(duì)象是覆蓋開孔式介質(zhì)的圓柱，并與光滑圓柱進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)圓柱體長400 mm，外徑均為50 mm，多孔介質(zhì)層厚10 mm，如圖1所示。代表多孔介質(zhì)孔洞體積占比的孔隙率為97%；每英寸孔洞的數(shù)量，即PPI為13。

圖1 試驗(yàn)柱體示意圖Fig.1 Outline of cylinder specimens

2 試驗(yàn)設(shè)置和方法

試驗(yàn)在開口回流式風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行，噴口寬0.43 m、高0.28 m，試驗(yàn)段長1.0 m。噴口最大風(fēng)速45 m/s，湍流強(qiáng)度小于0.5%。圓柱垂直固定在中線上，距離噴口0.3 m。圓柱阻塞比為11.6%。

2.1 熱線試驗(yàn)

利用兩個(gè)沿展向?qū)ΨQ布置的一維探針(Dantec 55P01)同時(shí)測量尾跡的瞬時(shí)流向速度。測點(diǎn)位置如圖2所示。探針連接在恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀上(Dantec streamline)，采樣頻率為2 kHz，采樣時(shí)間為16 s。試驗(yàn)過程中，風(fēng)洞測試段內(nèi)的溫度變化小于0.5 ℃。試驗(yàn)風(fēng)速為30 m/s，其對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)Re=1.0×105。

圖2 熱線探測點(diǎn)Fig.2 Schematic of hot-wire probe positions

2.2 煙線試驗(yàn)

煙線流動(dòng)顯示試驗(yàn)通過加熱金屬絲上的油劑，產(chǎn)生清晰的煙絲，定性地分析圓柱尾部渦結(jié)構(gòu)的變化。兩根金屬絲平行放置于柱體前后方，如圖3所示。100 V可調(diào)的直流電源用于加熱金屬絲。油劑采用潤滑油，其產(chǎn)生的煙霧被閃光燈照亮，由CANON 70D相機(jī)捕捉。閃光燈和拍攝由單片機(jī)控制協(xié)調(diào)。試驗(yàn)風(fēng)速為2.4 m/s，對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為8.0×103。

圖3 煙線試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic of smoke-wire visualization

2.3 PIV測量

本試驗(yàn)采用的是TSI PowerView的PIV系統(tǒng)，主要包括CCD相機(jī)、激光器、控制器和同步器。Vlite-500脈沖激光器發(fā)射激光波長為532 nm，最大輸出能量可達(dá)到500 mJ/脈沖。CCD相機(jī)(PowerViewPlus 29M-HS)像素6600×4400，垂直于激光平面安裝。同步器控制片光的照射和圖片的捕捉，采樣頻率是1.5 Hz，樣本數(shù)量是500張。來流速度為30 m/s，對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)是1.0×105。圖4為PIV試驗(yàn)設(shè)置示意圖，所測平面為水平中截面，地面邊界層影響和端部效應(yīng)可忽略。

圖4 PIV試驗(yàn)設(shè)置Fig.4 Schematic of the PIV setup

3 結(jié)果討論

3.1 渦脫落頻率

圖5顯示了在圓柱一側(cè)y/D=-1.5、不同x/D處流向速度的功率譜密度(PSD)分布。可以看到：在不同的流向位置，覆蓋多孔介質(zhì)的柱體St為0.162，小于光柱的St值(0.182)。當(dāng)x/D≤1.5時(shí)，覆蓋多孔介質(zhì)柱體的PSD峰值得到了抑制，尤其在x/D=1處，其峰值明顯小于光柱。而當(dāng)x/D>1.5后，覆蓋多孔介質(zhì)柱體的PSD峰值逐漸超過光柱。圖6和圖7展示了兩個(gè)展向?qū)ΨQ布置的探針測得的瞬時(shí)流向速度信號(hào)的相位特征，相位差接近±π表明渦從柱體兩側(cè)交替脫落。從圖可以觀察到：覆蓋多孔介質(zhì)柱體的反相位出現(xiàn)的位置延后，而且其反相位的范圍縮小。綜上可知：多孔介質(zhì)降低了柱體尾跡的渦脫落頻率，抑制了近尾跡區(qū)域的PSD峰值，使渦脫落位置延后。

圖5 y/D=-1.5處流向速度的PSD分布Fig.5 PSD distributions of U velocity at y/D=-1.5

圖7 多孔柱體尾跡兩個(gè)瞬時(shí)熱線信號(hào)間的相位譜Fig.7 Spectral phase between two hot-wire signals simultaneously measured in the wake of the cylinder with porous layer coating

3.2 平均流場

圖8呈現(xiàn)了覆蓋多孔介質(zhì)前后圓柱尾跡的平均流場變化。相比較而言，多孔柱體尾跡區(qū)域速度明顯減小，尾跡被拓寬，并沿主流方向被拉長。通過圖9可以定量地比較不同位置流向平均速度的變化情況。如圖所示，覆蓋多孔介質(zhì)后，柱體尾跡流向的平均速度減小，尤其在中線附近，但剪切層內(nèi)速度梯度更大，多孔柱體尾流的低速區(qū)被拓寬。進(jìn)一步觀察可以看出，平均流場的回流區(qū)(Umean<0)已從x/D=3延長至x/D=5。

圖10顯示了覆蓋多孔介質(zhì)前后尾跡剪切層分布的變化。從圖中可以看到：多孔介質(zhì)使剪切層變得更細(xì)長、彼此相距更遠(yuǎn)，繼而有利于減弱兩側(cè)剪切層的相互作用，同時(shí)平均渦量的峰值更加遠(yuǎn)離圓柱。

圖8 平均速度U分布Fig.8 Average velocity U distributions

圖9 流向平均速度Umean曲線Fig.9 Ensemble-averaged velocity profiles in the streamwise Umean

圖10 平均渦量圖Fig.10 Mean vorticity structure contours

3.3 瞬時(shí)流場

圖11利用煙線試驗(yàn)展示了有無多孔介質(zhì)的圓柱尾跡渦結(jié)構(gòu)的變化。對(duì)比圖11(a)和(b)可以看出，光柱尾部流場呈現(xiàn)出大尺度的卡門渦脫落，尾跡展向擺動(dòng)明顯；覆蓋多孔介質(zhì)后流場中的大尺度渦結(jié)構(gòu)被抑制，尾跡流場變得相對(duì)穩(wěn)定。PIV試驗(yàn)得到的瞬時(shí)速度場(圖12)可以得出同樣的結(jié)論。同時(shí)，覆蓋多孔介質(zhì)后，圓柱尾部的瞬時(shí)流場速度被顯著減小，尤其是近尾跡區(qū)域，有助于減緩兩側(cè)渦相互作用的速率，繼而會(huì)導(dǎo)致渦脫落頻率降低(如3.1節(jié)中所述)。

圖11 流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.11 Comparison of detailed flow structures

通過圖13和圖14中流向和側(cè)向速度脈動(dòng)曲線可以看出，覆蓋多孔介質(zhì)后，平面上兩方向的速度脈動(dòng)均明顯降低。多孔柱體Urms曲線雙峰間距增大，Vrms曲線單峰變雙峰，再次說明其尾跡被拓寬。并且，光柱流向和側(cè)向速度脈動(dòng)沿主流方向先增大后減小，而多孔柱體在所測范圍內(nèi)一直增大。這表明多孔介質(zhì)使得渦脫落的位置延后，與3.1節(jié)的渦脫落頻率的分析結(jié)果相吻合。

圖13 光柱尾跡流向和側(cè)向速度脈動(dòng)曲線(Urms和Vrms)Fig.13 Velocity fluctuations profiles in the streamwise Urms and spanwise Vrms in the wake of the bare cylinder

圖14 多孔柱體尾跡流向和側(cè)向速度脈動(dòng)曲線(Urms和Vrms)Fig.14 Velocity fluctuations profiles in the streamwise Urms and spanwise Vrms in the wake of the cylinder with porous layer coating

用渦形成長度可以衡量渦在尾跡中的形成位置，該值影響尾跡的壓力分布和對(duì)柱體的作用力[13]。沿尾跡中心線，將柱體中心與流向速度脈動(dòng)峰值之間的距離定義為渦形成長度[14-15]。本次試驗(yàn)測得覆蓋多孔介質(zhì)后渦形成長度由光柱的2.91D延長至6.58D。

圖15給出了有無覆蓋多孔介質(zhì)的圓柱尾跡的雷諾應(yīng)力分布，從圖中可以看出，覆蓋多孔介質(zhì)的柱體的雷諾應(yīng)力明顯減小，其峰值更加遠(yuǎn)離圓柱，同時(shí)展向距離增大。多孔介質(zhì)的引入削弱了剪切層的不穩(wěn)定性，使得渦脫落位置延后，增大了渦形成長度。

圖15 雷諾應(yīng)力圖Fig.15 Reynolds stress contours

4 結(jié) 論

通過熱線、煙線和PIV，研究了多孔介質(zhì)對(duì)圓柱尾跡的頻率特征、平均流場和瞬時(shí)流場的影響，得出如下結(jié)論：

1) 多孔介質(zhì)可以降低渦脫落頻率，有效抑制尾跡的大尺度渦脫落結(jié)構(gòu)，使得渦脫落位置延后；此外，多孔介質(zhì)可以減弱近尾跡場的速度PSD峰值(x/D≤1.5)，但會(huì)增大遠(yuǎn)場的速度PSD峰值(x/D>1.5)。

2) 多孔介質(zhì)減小了尾跡區(qū)的速度，拓寬了圓柱的尾跡寬度，可以減緩兩側(cè)渦相互作用的速率；同時(shí)多孔介質(zhì)使得兩側(cè)剪切層變得細(xì)長，減弱了兩者的相互作用，平均渦量的峰值更加遠(yuǎn)離圓柱。

3) 多孔介質(zhì)的引入減小了尾跡區(qū)的速度脈動(dòng)以及雷諾應(yīng)力，使得其峰值更加遠(yuǎn)離圓柱，減弱了剪切層的不穩(wěn)定性，增大了渦形成長度。

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Experimental study on the wake of a circular cylinder with porous layer coating

Wei Zheng1,2, Xia Chao1,2, Yuan Haidong1,2, Li Qiliang1,2, Yang Zhigang1,2,*

(1.ShanghaiKeyLabofVehicleAerodynamicsandVehicleThermalManagementSystems,Shanghai201804,China;2.ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

The effects of porous media on the flow around a circular cylinder were investigated experimentally using the synchronous measurement of hot-wire anemometry, smoke-wire visualization and particle image velocimetry (PIV). The frequency characteristics, time-average and instantaneous flow field of the wake were measured and analyzed for improving understanding on the mechanism of flow modification caused by porous layer coating. The results show that the large-scale vortex shedding structure is effectively inhibited with porous layer coating and the Strouhal number of vortex shedding is 0.162 for the porous one which is smaller than 0.182 for the bare one.Additionally, the peak power spectral density of velocity is decreased in the near wake (x/D≤1.5), while increased in the far wake(x/D>1.5) and the position of obvious vortex shedding shifts downstream.Porous media attenuate the velocity of the wake region and widen the wake, leading to the weaker interaction between the two slenderer shear layers and slower rate of vortex interaction. Meanwhile, the porous media significantly eliminate the velocity fluctuations in the streamwise and spanwise, especially in the centerline as well as the Reynolds stress in the wake. The positions of peak value of Reynolds stress and time-averaged vorticity are more far away from the cylinder, so that the porous media weaken the instability of the shear layer and increase the vortex formation length.

cylinder; porous coating; wake; PIV

0258-1825(2017)02-0265-06

2016-12-26;

2017-01-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFB1200503-04)

魏崢(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：鈍體流動(dòng)，流動(dòng)控制. E-mail：xwz@tongji.edu.cn

楊志剛*，男，教授，博導(dǎo)，研究方向：車輛空氣動(dòng)力學(xué)，流動(dòng)控制. E-mail：zhigang.yang@sawtc.com

魏崢, 夏超, 袁海東, 等. 覆蓋多孔介質(zhì)的圓柱尾跡實(shí)驗(yàn)研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 35(2): 265-270,289.

10.7638/kqdlxxb-2016.0169 Wei Z, Xia C, Yuan H D, et al. Experimental study on the wake of a circular cylinder with porous layer coating[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(2): 265-270,289.

V211.7

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0169