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静止和振荡柱体尾流的控制

陈野军  
【摘要】:静止和振荡柱体绕流的控制,具有重要的理论意义,并在海洋、航空、土木等领域具有工程应用背景。 本文主要分为两部分:一是研究低雷诺数二维静止柱体绕流旋涡脱落的抑制,引入四种不同形状的小控制件,采用数值模拟和流动显示,分别研究每一种控制件的抑制效果,并进行对比,进而研究控制机理;二是研究流向振荡柱体绕流旋涡脱落的抑制,分别用尾部喷气、单控制件和双控制件等方法,通过风洞实验对流向振荡柱体尾流进行抑制,并分别研究其控制机理。 静止柱体尾流控制主要做了以下工作: 以长(流向尺度)宽(横向尺度)比B/H=3.0的二维矩形柱为研究对象,在雷诺数Re=V_∞H/v(V_∞为来流速度,v为流体运动粘度系数)=75~130范围内,分别采用横向尺度均为b/H=0.2的方形、圆形、三角形和窄条形控制件,进行柱体尾流旋涡脱落抑制。数值模拟和水槽流动显示结果表明:当控制件位于一个有效区域内时,柱体两侧的旋涡脱落消失,脉动升阻力功率谱减小4个数量级。雷诺数Re=93时的抑制效果比较:方形控制件的有效区域最大,窄条形次之,圆形再次之,三角形最小。随着雷诺数的增加,方形控制件有效区域不断缩小;当Re130时,有效区域消失。提出了旋涡生成的应力模型,并用其讨论控制机理。 振荡柱体尾流控制的工作分为三部分: 1)采用尾部喷射方法对流向振荡圆柱尾流旋涡脱落进行抑制实验,实验的雷诺数范围Re=V_∞D/=2700~9800,柱体振荡幅值固定为A/D=0.2,柱体振荡频率范围f_eD/V_∞=0~0.36,其中V_∞为来流速度, D为柱体直径。沿圆柱母线开一与圆柱等长、宽度为h/D=0.015的缝隙,用于喷射空气。喷射速度比Vb/V_∞范围为0~18,相应的流量比hVb/DV_∞范围为0~0.27。 研究表明,未加控制时,随着柱体振频的变化,出现四种旋涡脱落模式:a) f_eD/V_∞0.08时,旋涡脱落频率与柱体静止时相同,而与柱体振荡频率无关; b) f_eD/V_∞=0.08~0.10附近一个小区域内,涡脱落频率是柱体振频的2倍,属于谐波共振;c)0.10f_eD/V_∞0.16,出现锁频,涡脱落频率与柱体振频相同;d)0.16f_eD/V_∞0.36,亚谐波共振,涡脱落频率是柱体振频的一半。 风洞中的烟线显示和热线测量结果表明:以上四种模式下,均能抑制旋涡脱落。在一定振频和一定雷诺数下,当喷射速度比Vb/V_∞(或hVb/DV_∞)介于其下临界值和上临界值之间时,振荡柱体两侧的尾流旋涡脱落被有效抑制。在振频f_eD/V_∞和喷射速度比Vb/V_∞(或hVb/DV_∞)组成的平面坐标系内找出了有效抑制旋涡脱落的区域,研究了有效区域随雷诺数的变化和喷射角对抑制效果的影响,并探讨了旋涡脱落抑制机理。 2)单窄条控制件:窄条平行于柱体放置,长度与柱体相同,宽为b/D=0.2,厚为h/D=0.05,其主表面垂直于来流。在雷诺数Re=2700~9800,振频f_eD/V_∞=0~0.36,振幅A/D=0~0.3范围内对流向振荡圆柱绕流的四种脱落模式都进行了抑制实验。结果是:除了第三种锁频状态外,其他模式的旋涡脱落都能够用窄条进行抑制。研究了窄条对柱体脉动升阻力的抑制,并研究了雷诺数、柱体振频和振幅对有效区域(有效抑制涡脱落的窄条位置区)的影响。 3)用双窄条控制件,每个窄条的宽度均为b/D=0.2,厚为h/D=0.05,其主表面垂直于来流。在Re=6000,及0f_eD/V_∞0.064范围内进行振荡圆柱绕流旋涡脱落的抑制。双窄条分为并列和非并列两种布置,两窄条均放于圆柱尾流的一侧。对双窄条并列地放置于圆柱一侧的情况,研究了两窄条间距比d/D以及柱体振频f_eD/V对有效区的影响。对非并列情况,发现当第一窄条单独放于某位置不能抑制旋涡脱落时,施加第二窄条于一个有效区内时,可以抑制振动柱体两侧的旋涡脱落;当第一窄条单独放于某位置能够抑制旋涡,施加第二窄条于一定区域时,反而不能抑制旋涡脱落。在不同振频下找出了第二窄条的有效区,并研究了第一个窄条位置改变对第二窄条有效区的影响。


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