串列水翼繞流非定常特征實(shí)驗(yàn)研究

朱健申， 王小靜， 王宗龍， 劉騰巖

（1.上海大學(xué)機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444；2.中國(guó)船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200023）

0 引 言

串列鈍體繞流問(wèn)題常見(jiàn)于海洋立管、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組群、建筑群、格柵翼、地效翼等工程應(yīng)用。流體流經(jīng)鈍體對(duì)下游部件產(chǎn)生的影響在船舶行業(yè)也受到關(guān)注［1］。文獻(xiàn)［2-3］中定義和總結(jié)了串列雙圓柱繞流存在若干種流態(tài)：小間距比工況下，串列圓柱流場(chǎng)呈單鈍體繞流形態(tài)，即上游圓柱產(chǎn)生的剪切流包絡(luò)下游圓柱；隨著間距比逐漸增大，上游圓柱剪切流不再包覆下游圓柱，而是在發(fā)生分離后重新附著在下游圓柱表面的某個(gè)點(diǎn)上，即“再附”（reattachment）；大間距比工況下，上下游圓柱各自脫渦。近年來(lái)，對(duì)串列鈍體繞流的研究涉及串列圓柱間流場(chǎng)［4-5］、尾跡和渦街［6-7］；多柱體載荷的三維特性［8-9］，多柱體的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲［10］，多撲翼主動(dòng)控制流場(chǎng)及能量回收［11-13］等方面。串列鈍體繞流的研究可解決工程實(shí)踐中常見(jiàn)的流致振動(dòng)、噪聲現(xiàn)象，也對(duì)主動(dòng)控制鈍體繞流場(chǎng)有重要意義。

目前，串列鈍體繞流研究模型多采用簡(jiǎn)單幾何柱體，對(duì)流場(chǎng)特征和鈍體表面壓力關(guān)系的研究較少。本文基于亞臨界雷諾數(shù)工況（Re =7 ×104）開(kāi)展了水翼尾緣脈動(dòng)壓力測(cè)量和流場(chǎng)Tr-PIV（時(shí)間解析圖像粒子測(cè)速法）實(shí)驗(yàn)，結(jié)合脈動(dòng)壓力測(cè)量、流場(chǎng)速度脈動(dòng)分析、流動(dòng)流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，分析串列水翼繞流場(chǎng)和尾緣脈動(dòng)壓力非定常特征的關(guān)聯(lián)以及二者關(guān)于間距比的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头椒?/h2>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退頌槲膊拷財(cái)嗟腘ACA0015，尾緣寬度為d，如圖1 所示。上下游水翼攻角均為0°，水翼中心沿來(lái)流方向?qū)R，上游水翼尾緣至下游水翼前緣間距為P，水翼弦長(zhǎng)為C。實(shí)驗(yàn)來(lái)流速度U為1 m/s，雷諾數(shù)Re = 7 × 104，間距比P/C = 0.1、0.157、0.3、0.457。

圖1 水翼實(shí)驗(yàn)工況示意圖

實(shí)驗(yàn)在試驗(yàn)段尺寸為0.85 m ×0.18 m ×0.12 m小型循環(huán)水槽進(jìn)行，最高流速為3.5 m/s，試驗(yàn)段截面流速不均勻度、湍流度均小于1%。串列水翼間流場(chǎng)和脈動(dòng)壓力實(shí)驗(yàn)原理如圖2 所示。連續(xù)激光器從水翼兩側(cè)照亮目標(biāo)區(qū)域的示蹤粒子，使用高速攝影機(jī)拍攝位于上下游水翼之間的流場(chǎng)圖像，通過(guò)上下游水翼后緣內(nèi)嵌的壓力傳感器采集雙水翼尾緣脈動(dòng)壓力。

圖2 串列水翼間流場(chǎng)和脈動(dòng)壓力實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)共對(duì)4個(gè)P/ C工況的串列雙水翼之間和下游水翼尾流場(chǎng)進(jìn)行流場(chǎng)粒子圖像拍攝，同時(shí)采集上下游水翼尾緣脈動(dòng)壓力。為直觀對(duì)比串列水翼的流場(chǎng)特征，進(jìn)行單水翼工況實(shí)驗(yàn)。

2 水翼流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理方法

流場(chǎng)圖像通過(guò)PIV互相關(guān)方法得到速度矢量場(chǎng)并繪制流線，如圖3 所示。流線圖中，y 軸沿來(lái)流方向，x軸垂直于來(lái)流方向，水翼尾緣與x軸線相切，位于x軸中間區(qū)域［見(jiàn)圖3（e）］。為直觀體現(xiàn)漩渦尺度，將x、y軸數(shù)值除以水翼尾緣寬度d，得到x/d和y/d。各工況流動(dòng)周期為T(mén)，tn代表各工況流動(dòng)周期內(nèi)的瞬時(shí)序列（n =1，2，...），對(duì)應(yīng)流線圖表征在各流動(dòng)周期內(nèi)的典型流線特征。

圖3 單水翼瞬態(tài)和平均流場(chǎng)［（a）-（d）：?jiǎn)嗡砉r瞬態(tài)流場(chǎng)（e）：?jiǎn)嗡砉r平均流場(chǎng)］

2.2 單水翼工況流場(chǎng)結(jié)果

單水翼工況瞬態(tài)和平均流線見(jiàn)圖3，記錄t1～t4時(shí)刻單水翼尾緣渦對(duì)交替生成、脫落、向下游發(fā)展的過(guò)程。由于尾渦周期交替地產(chǎn)生，尾緣附近的平均速度場(chǎng)未呈現(xiàn)漩渦特征。

2.3 串列水翼時(shí)均流場(chǎng)結(jié)果與分析

各間距工況雙水翼中間和尾流場(chǎng)時(shí)均流線由圖4所示。P/C 較小（0.1、0.157）的工況中，上游水翼尾緣出現(xiàn)旋向相反的渦對(duì)，該區(qū)域存在明顯回流；P/C較大的工況中，上游水翼尾緣附近雙渦消失，仍存在局部渦結(jié)構(gòu)，整體流態(tài)更接近單水翼工況。雙水翼間局部回流區(qū)流向尺度隨P/C 增大而減小。下游水翼尾緣附近在各工況下均存在雙渦，除P/C = 0.1 工況回流區(qū)尺度稍大，其余工況回流區(qū)尺度無(wú)明顯變化。通過(guò)上述分析，實(shí)驗(yàn)獲得了串列水翼間的兩種平均流態(tài)，即當(dāng)P/C≤0.157 時(shí)，雙水翼間為雙渦流態(tài)，P/C≥0.3，雙水翼間呈單渦流態(tài)。

圖4 各工況時(shí)均中間流場(chǎng)和尾流場(chǎng)（A ～D：P/C =0.1、0.157、0.3、0.457）

2.4 串列水翼瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)果與分析

由時(shí)均流場(chǎng)分析結(jié)果，雙水翼間存在雙渦和單渦兩種時(shí)均流態(tài)，以下分析各P/C 工況雙水翼典型周期T內(nèi)的瞬時(shí)流場(chǎng)序列。

（1）P/C = 0.1 工況。上下游水翼中間流場(chǎng)流線-時(shí)刻變化如圖5所示。在t1時(shí)刻，上游水翼尾緣分離區(qū)（2≤x/d≤4，y/d≤2）同時(shí)存在方向相反的渦對(duì)，位于上游水翼分離流下側(cè)的部分流體向下游水翼上側(cè)運(yùn)動(dòng)；t2、t3時(shí)刻，分離區(qū)尾端延伸至下游水翼駐點(diǎn)并生成多個(gè)尺度較小的渦旋，t4時(shí)刻分離區(qū)兩側(cè)剪切流再附到下游水翼前緣；t6時(shí)刻，分離區(qū)重新生成雙渦對(duì)，上側(cè)部分流體向下游水翼下側(cè)運(yùn)動(dòng)。下游水翼尾流場(chǎng)流線-時(shí)刻變化如圖6 所示。下游水翼尾緣存在較單水翼工況更強(qiáng)的逆壓梯度，t1時(shí)刻生成漩渦的外圍部分在靠近尾緣處回流，在t4時(shí)刻被吸入到交替生成的另一個(gè)渦旋中，因此在t1、t4時(shí)刻，下游水翼尾緣處同時(shí)存在相反的漩渦對(duì)，明顯區(qū)別于單水翼工況。

圖5 P/C =0.1時(shí)，雙水翼間瞬態(tài)流場(chǎng)

圖6 P/C =0.1時(shí)，雙水翼下游瞬態(tài)流場(chǎng)

（2）P/C = 0.157 工況。上下游水翼中間流場(chǎng)流線-時(shí)刻變化如圖7 所示。在t1時(shí)刻，上游水翼尾緣分離區(qū)存在渦對(duì)，下游水翼前緣生成小尺度渦旋；t2到t4時(shí)刻，分離區(qū)生成多個(gè)尺度較小的渦，分離區(qū)下游發(fā)生明顯流向偏轉(zhuǎn)。該工況下，上游水翼尾緣周期性生成雙渦和多渦，分離區(qū)外的剪切流未發(fā)生再附，上游水翼尾渦引起較強(qiáng)流向偏轉(zhuǎn)“沖擊”下游水翼，使下游水翼前緣區(qū)域存在小尺度、周期性的漩渦結(jié)構(gòu)。

圖7 P/C =0.157時(shí)，雙水翼間瞬態(tài)流場(chǎng)

（3）P/C = 0.457 工況。t1到t4時(shí)刻，旋向相反的渦對(duì)交替從上游水翼尾緣脫落，流態(tài)接近單水翼脫渦。下游水翼尾緣周期性生成雙渦對(duì)，下游流向偏轉(zhuǎn)的幅度明顯小于單水翼和小間距工況。二者流線-時(shí)刻變化如圖8、9 所示。

圖8 P/C =0.457時(shí)，雙水翼間瞬態(tài)流場(chǎng)

圖9 P/C =0.457時(shí)，雙水翼下游瞬態(tài)流場(chǎng)

綜合上述瞬態(tài)流場(chǎng)分析，各工況下游水翼尾緣均存在較強(qiáng)的逆壓梯度，單側(cè)脫落旋渦外圍被吸入到另一側(cè)生成的渦旋中，使水翼尾緣附近穩(wěn)定形成雙渦且始終存在回流區(qū)。雙水翼中間流場(chǎng)則存在3 種非定常流態(tài)，即周期性多渦和再附（P/C = 0.1）、周期性多渦（P/C = 0.157）和穩(wěn)定脫落渦（P/C = 0.3，0.457）。

3 頻率特征分析

P/C = 0.1 工況中，雙水翼中間流場(chǎng)和尾流場(chǎng)y/d=1 處非定常流動(dòng)特征較為明顯，取3 點(diǎn)（x/d =3，3.5，4）作流向速度脈動(dòng)頻譜分析，同時(shí)對(duì)比上游水翼尾緣脈動(dòng)壓力頻譜，速度和壓力脈動(dòng)幅值均作歸一化處理，如圖10 所示。記流向速度脈動(dòng)頻率為fv，水翼尾緣脈動(dòng)壓力頻率為fp。圖10（a）中間流場(chǎng)y/d =1處各點(diǎn)fv在21、35、53 和75 Hz處出現(xiàn)明顯峰值，與上游水翼fp一致。結(jié)合圖5 所示該工況中間流場(chǎng)的瞬態(tài)流線，出現(xiàn)多個(gè)峰值頻率的可能原因是該工況雙水翼中間流場(chǎng)漩渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多種周期運(yùn)動(dòng)，因此中間流場(chǎng)fv和上游水翼fp包含多個(gè)峰值頻率。由圖6 所示，同工況下游水翼尾緣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，僅有周期性生成的雙渦，因此尾流場(chǎng)fv和下游水翼fp相等且呈現(xiàn)單峰值特性。

圖10 P/C = 0.1時(shí)，上下游水翼速度脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)頻譜

匯總各工況實(shí)驗(yàn)測(cè)得脈動(dòng)壓力幅值最高的頻率，如表1 所示。除P/C = 0.1 工況外，上下游水翼存在共同的脈動(dòng)壓力特征頻率，記為fc。由圖10 可知，P/C = 0.1 工況中，上游水翼fp在45、53、63、73 Hz處出現(xiàn)峰值且幅值接近，其中包含下游水翼fp=45.4 Hz，因此該工況存在fc，且為45.4 Hz。結(jié)合流場(chǎng)分析結(jié)果，fc大小和中間流場(chǎng)平均流態(tài)相關(guān)：P/C 為0.1、0.157 工況，雙水翼中間流場(chǎng)存在多渦結(jié)構(gòu)；P/C 為0.3、0.457 工況，雙水翼中間流場(chǎng)為單渦結(jié)構(gòu)；相同流態(tài)下，fc隨P/C 增大而升高。

表1 各工況壓力脈動(dòng)峰值頻率匯總

4 結(jié) 語(yǔ)

本文開(kāi)展串列水翼脈動(dòng)壓力測(cè)量和流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到串列雙水翼流場(chǎng)和尾緣脈動(dòng)壓力非定常特征的相關(guān)性以及關(guān)于P/C 的變化規(guī)律，結(jié)果表明：①串列水翼中間流場(chǎng)存在兩種平均流態(tài)，分別是P/C 為0.1、0.157 工況的雙渦結(jié)構(gòu)和P/C為0.3、0.457 工況的單渦結(jié)構(gòu)；②各工況下游水翼尾緣附近始終存在回流區(qū)和雙渦結(jié)構(gòu)。雙水翼中間流場(chǎng)則存在3 種非定常流態(tài)，即周期性多渦和再附（P/C = 0.1）、周期性多渦無(wú)再附（P/C = 0.157）和P/C 為0.3、0.457 工況發(fā)生的穩(wěn)定脫落渦；③串列水翼間的非定常流態(tài)直接影響上游水翼fp和中間流場(chǎng)fv，P/C = 0.1 工況fp和fv相符；④上下游水翼存在共同脈動(dòng)壓力特征頻率，記為fc，fc大小與P/C和水翼間的平均流態(tài)相關(guān)，各流態(tài)（單渦、多渦）工況中，P/C 增大，fc升高。