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透水圆筒包围内筒的浅水圆柱绕流
Gokturk M. Ozkan· Vedat Oruc· Huseyin Akilli·Besir Sahin
摘要：使用粒子图像测速技术研究在浅水中由透水外筒包围圆柱（内筒）下游流动特性的变化。实验期间，内筒直径与水的高度保持恒定，分别为d=50mm、hw=25mm。深度平均自由流速也保持恒定为U = 170mm/s，其对应的基于内筒直径的雷诺数Red= 8500。为了检验外筒直径和孔隙率对内筒流动特性的影响，实验中使用了五个不同的外筒直径（D = 60，70，80，90和100mm）和四个不同的孔隙率（beta;= 0.4， 0.5，0.6和0.7）。结果表明，外筒直径和孔隙率对圆柱下游的流动特性有重大影响。湍流数据清楚地表明，与单一圆柱（一般情况下）相比，当外筒被置于内筒周围时，湍流动能和雷诺应力显著降低。因此，内筒的剪切层的相互作用由于外筒的存在而被阻断。实验结果表明，在1.6le;D/dle;2.0和0.4le;D/dle;0.6范围内的外筒对于近尾流区具有更好的流量控制，因为湍流动能的峰值与一般情况下相比是相当低，并且对于上面提到的孔隙率beta;和外筒与内筒直径比D / d几乎保持恒定。
符号列表：
a 网格尺寸 v 横向速度波动
d 内筒直径 u΄u΄ 流向雷诺正应力
D 外筒直径 v΄v΄ 横向雷诺正应力
F1, F2 流线拓扑图上的焦点 u΄v΄ 雷诺剪切应力
S 鞍点 x 流向距离
t 网格直径 y 横向距离
TKE 湍流动能 beta; 孔隙率
U 深度平均流速 psi; 流线
u x方向的速度 omega; 涡度
v y方向的速度 lt;gt; 时间平均
u΄ 流向速度波动 hw 水深
1 引言
涡旋对大量的工程应用产生了不良影响。一些明显的例子是水流流过潜艇，气流流经飞机、汽车和风吹过高层建筑和桥梁。在过去，许多的研究者在他们的理论研究或实验研究中大多让气流或水流流经圆柱、球体或矩形的横截面以模拟钝体绕流。一些早期的钝体绕流研究可以追溯到Oertel（1990）， Williamson（1996），Choi(2008)等人的研究。
涡旋脱落控制是非常重要的，因为它会导致作用于钝体的流量感应力随时间变化而下降，并可能严重压抑自己的波动。流量控制主要通过控制边界层的分离来实现，并且各种可能的方法已经应用于实现这一目的，如吸入、吹制、表面粗糙度元件和分离板。因此，许多研究已经在过去进行（Kuo等人，2007；Mittal 和 Raghuvanshi，2001；Raghuvanshi;Wang等人,2006; BAEK和Karniadakis,2009; Dehkordi和Jafari ,2010;Akilli等人，2008; Cheng，2005; Akilli等人，2005;Turki，2008； Yucel等人，2010；Kwon 和Choi ，1996;Rathakrishnan，1999;Unal和Rockwell，1988），建立了一种可以控制涡旋脱落的方法，当流体流过钝体时，可以清晰地看到涡旋脱落过程。
实验中观察到：可以改变该钝体的下游涡旋脱落过程，甚至通过在主圆柱的近尾流区插入一个更小的控制圆柱可以抑制涡旋的产生。 2007年， Kuo等人在雷诺数为80~300的范围内数值模拟了均匀来流下直径为d的圆柱下游尾迹的被动控制。两个直径为d/8的圆柱被放置在关于近尾流区中心线对称的两个位置。计算结果表明，主圆柱下游仍存在涡旋脱落，但是当雷诺数增大时，作用于主圆柱的脉动升力和阻力显著单调减少。
2001年，Mittal和Raghuvanshi进行了数值模拟工作来研究在60~100的低雷诺数范围内在主圆柱近尾流区放置一个控制圆柱的影响。计算结果与相似雷诺数条件下流体流过单一圆柱的结果进行比较。可以观察到，该控制圆柱处在合适的位置将导致主圆柱下游区的涡旋脱落几乎被完全抑制。
2006年，Wang等人以基于圆柱直径下的雷诺数 （82000）进行了压力测量来研究圆柱的减阻效应。一根杆被放置在圆柱的上游来控制圆柱周围的流动。实验检验了上游杆和圆柱周围流体的相互作用，得到了圆柱的减阻机制。也已证明，上游杆的存在显著地影响到作用于圆柱的阻力和升力。
一个用于流体的被动控制的著名方法是在钝体的下游放置一块分离板，Dehkordi和Jafari （2010）、Akilli（2008）等人、 Cheng （2005）、Akilli(2005)等人、Turki（2008）、Yucel(2010)等人、 Kwon 和 Choi (1996)、Rathakrishnan（1999）、Unal 和 Rockwell (1988)利用分离板进行了相关科学研究工作。2010年，Dehkordi 和 Jafari使用分离短隔板对圆柱绕流进行了数值模拟，以估计分离板对周期性旋涡脱落的抑制作用。他们在下游放置分离板，模拟了雷诺数Re=40、没有涡旋出现情况下的圆柱绕流和雷诺数Re=100与150、有涡旋出现情况下的圆柱绕流。他们也模拟了在下游放置两块相互平行的分离板情况下的圆柱绕流，分离板的最佳位置由获得最大升力和曳力时的位置来确定。
2008年，Akilli等人通过实验研究了圆柱下游涡旋脱落的抑制。在他们的工作中，使用粒子图像测速仪（PIV）技术研究了置于浅水中圆柱的垂向流动特性。由圆柱产生的涡旋脱落是由放置于下游的各种长度的分离板所控制的，它是由相关的的瞬时和时间平均流量数据来确定的。分离板的长度显著地影响圆柱绕流近尾流区的流动特性。得出的结论是：流动特性的变化取决于分离板的长度和圆柱直径（为1.0）之比，分离板的长度越长，在近尾流区造成的影响越小。1989年，Sahin使用多孔板作为流量控制装置进行了实验研究。他的结论是，随着孔隙率的减小速度非均匀增加。
在这种情况下：横向流动范围比流体深度大得多的流动可以定义为浅水流动。Chen和Jrica于1995年和Ingram和Chu于1987年的研究表明，浅水中钝体后面的流场结构与深水中的流场结构不同。2002年，Akilli 和 Rockwell通过浅水近尾流区涡旋发展的物理过程解释了这种差异，由于水底和自由表面的影响，而且它们之间的距离相当小，使得解释这种差异性变得相当复杂。浅水方程已经应用到最近的一些研究中（Singha等人，2009；Akilli 等人，2008； Fu 和Rockwell ，2005;Akilli 等人， 2005；Akilli 和Rockwell ，2002；Negretti 等人，2005；Rockwell，2008），并且更多关于此主题的研究正在开展以了解三维流场结构及其控制的具体物理过程。
在最近的研究中，浅水中直径为50mm的圆柱下游区的流量控制可以通过放置一个同心透水圆柱来实现。孔隙率beta;和外筒的直径与内筒直径之比D / d在近尾流区对于流动特性的影响已被实验研究。透水圆筒可在高层烟囱、近海工程立管、桥墩中使用，并且对于减轻涡激振动对建筑物的损害。
2 实验设置
实验在位于库库罗瓦大学机械工程系流体力学实验室的开放式循环水道进行，该水道的尺寸为8000mmtimes;1000mmtimes;750mm。PIV技术被用于确定直径为d=50mm的立式圆柱绕流下游的瞬时和时间平均速度矢量场，以查明由铬镍丝网制成的在浅水中控制涡旋脱落行为的同心外筒这一控制元的效果。流线拓扑图、瞬时和平均涡度图经过后处理为及雷诺应力的相关性而获得。实验装置的平面图、圆柱的位置、激光片的位置和照相机的位置示于图1a,水道的水深设置为600毫米,所有实验均在如图1a长度为2300毫米的平台之上进行。该平台的前缘和圆柱之间的距离为1800毫米以得到能充分发展的边界层。该平台的基部和自由表面之间的水的高度被调节到25毫米，内圆柱直径和测试区域的宽度、内圆柱的几何阻塞率之间的比例为5％。根据可渗透外筒，几何阻塞率上升至10％。为了防止壁效应，阻塞率保持恒定为10％（West和Apelt ，1981），从而导致最大外筒直径为100毫米（D / d = 2.0）。通道内水流的获得通过使用由具有可变速度控制装置的电动机驱动的泵来实现。深度平均流速为U = 170毫米/秒，对应的基于圆柱直径的雷诺数Re= 8500、基于水深的弗劳德数Fr= 0.118。图1b给出了内圆柱直径（d）、外筒直径（D），网格尺寸（a）和网格直径（t）的以及参考坐标系统和孔隙率的定义，beta;。
图1 a：实验装置与PIV测量单元和相机系统的草图
图1 b：内圆柱直径、可渗透外筒尺寸和参考坐标系与孔隙率的定义beta;的示意图
5个不同直径（D=60,70,80,90,100mm)和4个不同孔隙率的外筒被用来控制圆柱下游的涡旋脱落。参数根据2011年Pinar等人的研究而选取，研究表明，就直径比这一影响因子而言，D/d大于2.0时，流动特性变化不显著；beta;大于0.7时,涡旋控制显著减弱。因此，现在的实验是在直径比为1.2le;D/dle;2.0、孔隙率0.4le;beta;le;0.7的条件下进行的。并且，也不可能制造出孔隙率beta;小于0.4的筛网。此外，为了获得大直径比下的流动特性，PIV图像的观测区域应该增大。但是，更大的观测区域会导致图像分辨率的降低，可能会观测不到流场中的小尺度流动结构。控制元（外筒）同心地放置于直径为50mm的参考圆柱外，使用Dantec Dynamics 公司的PIV系统采集实验数据并使用安装在计算机上的Flow Manager软件进行处理。测量区域由一个薄而强的激光片所照亮，这个激光片使用一对双脉冲Nd：YAG激光单元，每个激光单元每个激光单元能产生532纳米波长的光以获得最大的能量输出：120 mJ。激光片平行于所述水道的底部，并且所述实验是在位于水高度的一半处的平面中进行的。图像捕获由具有1600像素的分辨率times;1200个像素，搭载了尼康AF微60的f /2.8D透镜8位交叉相关电荷耦合器件（CCD）的照相机进行。在图像处理中，使用32times;32的矩形像素，并采用50％的重叠。以15帧/秒的速率获得瞬时速度场中总共7227（99times;73）个速度矢量，观测区域采用160mmtimes;120mm的物理尺寸以便获得关于内圆柱尾流区流场结构的详细精确结果。脉冲之间的时间间隔是1.5毫秒，以及整个实验中照射该测量平面的激光片厚度2毫米左右。选取合适的时间间隔和激光板厚度，以便在观测区域获得最多数量的粒子。在本次实验中，在相对速度与深度平均流速的不确定性约2％，水以直径为12mu;m的中空玻璃球粒接种，密度为1100kg/m3.。在每个实验中，350个瞬时图像被捕获并记录，以便获得时间平均的速度矢量场和其它流动特性。使用局部中值滤波技术删去杂散速度矢量（小于2％），并通过在周围的向量中使用双线性最小二乘法拟合技术取代它。此外，通过使用高斯平滑技术平滑速度矢量场，以避免速度场中的急剧变化。每个网格点上的涡值从周围的八个相邻点循环计算。
3 结果与讨论
单圆柱情况下（一般情况），时间平均的流向速度分布lt;ugt;，涡度lt;wgt;和对应的流线拓扑lt;Psi;gt;示于图2a。从速度分布图可以看到，由于圆柱附近主流流速放缓，速度曲线在尾流区为负值。它还观察到:随着x/ d的增加,速度分布平坦化与,并且当x/d大于1时，逆流消失。横向速度的强烈变化可以近似看作为剪切层在这些
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