收稿日期:2006-01-17.
作者简介：王小庆(1981-)，女，硕士研究生；武汉，华中科技大学土木工程与力学学院(430074).基金项目：国家自然科学基金资助项目(10372033).
王小庆1
李万平
1
(1.华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)
摘 要：在风洞中，用热线风速仪和压力传感器进行嵌入湍流边界层内的圆柱脱涡实验研究.测量了尾涡脱落频率和平板表面压强脉动，目的是分析当圆柱嵌入空气湍流边界层的情况下，间隙比值对尾涡脱落频率及壁脉动压强的影响.实验结果得到了尾涡无量纲频率St 随间隙比及雷诺数的变化情况，壁脉动压强周期性成分的变化规律，还得到了在一定雷诺数下，圆柱对边界层速度的影响范围，为今后的工作和研究提供了实验依据.关键词：湍流边界层; 圆柱绕流; 间隙比; 尾涡脱落频率; 壁脉动压强 中图分类号:O357.5+4 文献标识码:A 文章编号:1672-7037(2006)S 1-0125-05
圆柱绕流现象的相关实验研究在不断深入，对于置于流场中的单个圆柱的研究已经相当成熟.近年来更多研究者致力于近壁圆柱的流动特征的研究，得到了一些壁面对圆柱绕流影响的很有意义的结论.
研究圆柱绕流较早的有T anada，他在Re =170(以拖曳速度及圆柱直径无量纲化)的情况下，用流动图像法观察了在间隙比G /D (G 为圆柱下沿与平板之间的距离,D 为圆柱直径)变化时，尾涡脱落的情况，得到了在G /D ≈0.1时，只有一排涡的脱落，当G /D =0.6时，有规律的两排涡的脱落.Bearman 和Zdravkovich [1]
研究了在较大雷诺数Re =2.5×104和Re =4.5×104时的情形，撤走圆柱后得到的边界层厚度为0.8D ，所用边界层属于薄边界层，得到St 与间隙比的关系.压强的测量表明：在G /D <1.0时，就能检测到壁面对圆柱的影响.Bureti 和Lanciotti [2]也研究了间隙比对涡脱落的影响，实验在更大的雷诺数(0.86×105～3.0×105
)和更薄的边界层厚度下得出：对于光滑圆柱，让尾涡正常脱落的G /D 值在0.3和0.4之间，对于表面粗糙圆柱则在0.2～0.3之间，当G /D 大于这个值时,St 不依赖于T /D .
Grass [3]研究了在水槽中，当D /D ≈0.28,0.26,6.0及Re =1785和3570时的情形，但他是以当地速度无量纲化频率得到St ，结论是St 随间隙比的变化独立于D ，且当G /D <2.0时,St 随G /
D 的降低有少许的增大；对D
/D ≈0.28，最大St 发生在G /D =0.75，此时的St 比大间隙时大5%～
10%，当G /D <0.3时，就检测不到涡脱落频率了；对于D /D ≈6.0，最大St 发生在G /D =0.5处，比大间隙时大25%；当G /D <0.5时，就没有尾涡脱落了，他认为这是由于下游边界层的分离产生自由喷射，将近壁一侧的尾涡脱落抵消掉，但后来有人不同意这个观点.
Taniguchi 和Miyakoshi [4]考虑了边界层厚度在Re =9.4×104
时的作用，他们用绊线得到0.34≤D /D ≤1.05，测量作用力系数及涡脱落频率，得到抑制尾涡脱落的最小G /D 随D 的增加而增加，他们得到当G /D 大于这个最小值时，不考虑D 的影响,St 不随间隙比变化，这个最小的间隙比值对应于脉动升力和阻力系数的当地最小值，对于圆柱下沿的涡抑制，他们采用了与Grass 同样的解释.
Price [5]在层流边界层条件下，将间隙比的情况分为很小、小、中等和大间隙比区域，并观察了四种情况下的流动图像，分析了每个情况下St 随Re 及G /D 的变化，得出在一定的雷诺数后,St 几乎不随Re 变化,St 随G /D 的变化情况与前人结论差不多.
Lei 等[6]
在Re =1.3×104
时，检测了G /D 对近壁圆柱绕流的影响，提到St 随G /D 的变化在较厚边界层中的情况和薄边界层有些不同，但并没有深入说明.
综上所述，在不同雷诺数的边界层影响下，关
第23卷增刊1
2006年5月
华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版)
J.of HUST.(Urban Science Edition)
Vol.23Su p.1
May.2006
于近壁圆柱绕流的结论有不同.前人研究大都集中在层流边界层及薄湍流边界层或在水中湍流边界层时的情形，对空气中厚湍流边界层缺少研究.本文重点考察了空气中较厚湍流边界层对近壁光滑圆柱绕流
的影响及近壁圆柱对壁面脉动压强的影响，在四个雷诺数(3632,5139.3,6513.3,7671)和不同的间隙比值下，测量嵌入边界层内的圆柱尾涡脱落频率及壁面脉动压强，还考察了在一定雷诺数下，嵌入边界层内的圆柱对边界层速度剖面及壁面脉动压强的影响范围.
1 实验装置和测量方法
实验在风洞中进行，矩形截面试验段中部安装的平板宽245mm，长650mm，厚5mm，平板前缘为45°锐缘.平板水平放置于风洞中，沿平板纵向中心线开设若干个测压孔.直径5mm 的光滑玻璃圆柱平行于平板固定于两侧壁之间，与平板间的间隙上下可调.圆柱轴垂直于来流方向，轴心位于距平板前缘482.5mm 处.测量时，热膜敏感元件的中心沿平板纵向及法向可调，测压孔在圆柱前后，距平板前缘分别为400mm 和500mm 处.测压孔直径为0.8mm ，压强传感器紧贴平板下表面安装.为了使边界层充分发展为湍流边界层，在距平板前缘50mm 处贴有宽20mm 的金刚玉2号砂布(图
地磁指数预报1).
cpich
图1 实验装置简图
测量压强用内装集成电路放大器的压电式传感器，由数据采集卡向传感器供电，直接输出电压信号.传感器型号为PCB M103A02，是一个高精度湍流声压传感器.采集数据用24位NI 4472型数据采集卡，测量速度用T SI 热线热膜风速仪和1243-20型双丝热膜边界层探头，采样频率为10000Hz /s ，实验中同步采集两个通道的速度信号和两个通道的压强信号.
试验在四个风速下进行，试验段来流背景湍流度略低于2%.先测量四组数据(表1)，其中边界层厚度D 为圆柱所在位置的无圆柱边界层厚度值,u 0为自由来流速度,u S 为摩擦速度，雷诺数是以来流速度和圆柱直径所得，即Re =u 0D /v .
首先在未加圆柱时进行速度剖面测量，之后加入圆柱再测量.热膜敏感元件的中心位于圆柱
表1 四组实验参数组次D /mm u S /m ・s -1
u 0/m ・s -1
Re 115.00.49910.8963632.0214.00.71015.4185139.3312.50.87619.53986513.34
12.0
1.028
23.013
7671.0
后方测压孔的正上方和圆柱后方不同高度处，同时采集热线仪速度数据和压力传感器的脉动压强数据.在每个雷诺数下，从G /D =2逐步下调圆柱，直到G /D =0(圆柱贴到壁面).在固定雷诺数和固定的间隙比下，热膜敏感元件测量三个不同高度处的信号：与圆柱中心等高、与圆柱下沿等高及尽可能靠近壁面的一个高度(一般为离壁面2mm).当圆柱很靠近壁面时，则选择与圆柱上沿等高、与圆柱中心等高和近壁的一个高度.然后改变雷诺数，照按前述过程再做四组实验.为考察嵌入湍流边界层中的圆柱对速度剖面的影响，固定一个雷诺数，圆柱在G /D =1处(此时圆柱没入边界层中)，在距圆柱后沿3D ,5D ,10D 及20D 分别测量了速度剖面，并采集了壁面脉动压强数据.
2 实验测量结果和数据分析
图2为四个来流速度下，未安装圆柱时的速度剖面的测量结果，速度和坐标的实验数据由壁面尺度进行无量纲化，其中,u +=u /u S ;y +=u S y /v .因为双丝热膜边界层探头的尺寸决定了离壁面最近测点的
位置，测点不在边界层线性底层.根据对数律公式u +=2.44ln y ++5.5计算对数律区各点的摩擦速度，再取其平均值作为壁面摩擦速度u S (表1).从图2(a )看出，流场的速度剖面在边界层内与对数律曲线符合较好.由速度剖面得到四个边界层厚度也列入表1，图2(b )显示了在同样雷诺数下，前沿加砂布和未加砂布的比较.Lei 等[6]比较了前沿加有绊线和未加绊线的情况，得到加绊线有明显加厚边界层的效果.由于实验用的砂布厚度很小，主要起到提早转化边界层为湍流边界层的作用，对边界层的厚度影响在5%以内，如图2(b)中加砂布前后在同一位置沿法向测得的无量纲速度的图形几乎重合.
用计算机对热线仪在圆柱后3D 处测得(即距圆柱轴心3.5D 处)的速度数据进行功率谱分析，得到尾涡脱落频率.对于固定的间隙比值和雷诺数，不同高度处检测到的频率值相当，误差在2%范围以内，用三个不同高度检测到的频率的平均值作为尾涡脱落频率.图3(a)显示了近壁处的热
・
126・ 华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版) 2006年
(a) 四个雷诺数的速度剖面与
标准对数律曲线的比较
(b) 有无前缘砂布的速度剖面旋转喷嘴
与标准对数律曲线比较图2 速度剖面比较图
线数据，在G /D >0.2时，四个雷诺数均能检测到
较明显的峰值，这个明显的尖峰所对应的频率是尾涡的脱落频率；当G /D ≤0.2时，不同高度处的热线数据均检测不到明显的峰值了，如图3(c)，这个区域被认为涡脱落被抑制了，此时可认为圆柱和平板几乎为一个整体.对于压力传感器采集的圆柱后面壁脉动压强的数据，在G /D >0.2时，功率谱分析得到的峰值对应的频率和热线仪检测到的频率值差不多，图3(b )为与图3(a )对应情况下，脉动压强的功率谱分析图，两图尖峰处对应频率相差无几.且间隙比越小，功率谱分析显示的峰值越明显，在热线数据已经检测不到明显的峰值的G /D =0.2处，壁脉动压强的功率谱分析还能得到较明显的峰值(图3(c),(d)).如果将壁脉动压强的周期性理解为圆柱尾涡的频率，则无法解释
壁脉动压强在G /D =0.2的明显性尖峰.Grass
[3]
(a ) G /D =1.0，流向速度
(b ) G /D =1.0，壁面脉动压强
(c ) G /D =0.2，流向速度
(d ) G /D =0.2，壁面脉动压强图3 功率谱分析图,R e =7671
和Price [5]都观察到了壁面边界层的分离情况，且有喷射现象，也有很多有关的计算表明，喷射的频率和涡脱落的频率是一致的，且有计算表明圆柱越靠近平板，喷射越明显，这恰好与实验结果是吻合的，表明压力传感器可能检测到了壁面涡的周
・
ppzhus127・增刊1王小庆等：厚壁面湍流边界层对圆柱脱涡影响的实验研究
期性信号.压力传感器能检测到比热线数据更小
的间隙比值时的频率值，这可能说明在G/D=0.2时，壁面还有较明显的喷射现象，这还需要以后的实
验及计算进一步验证.而压力传感器测得圆柱前脉动压强的数据，功率谱分析并没有明显特征.
Leic等[6]提到了用自由流速对频率无量纲化能得到较为稳定的结果，即St=f D/u0.为了和前人的结果比较，将功率谱分析得到的频率全部无量纲化后，从图4(a)中可以看出St在0.2附近脉动，这与前人所得到的结论是一致的.当间隙比减小到一定范围,St有少许上升并达到一个峰值，但峰值并不特别突出，且未超过大间隙比的St 值；当间隙比再度减小,St又有下降，直到检测不到明显的尾涡脱落频率，这时被认为涡脱落被抑制了.如在Re=3632时,0.5≤G/D≤1时,St随间隙比减小有少许上升，在G/D=0.5有一个局部最大值；当G/D≤0.5时,St随间隙比的减小又有下降，这与大多数人认为在间隙比值小到一定程度会出现一个峰值的结论是一致的.前人认为这个峰值所对应的G/D值与雷诺数及边界层厚度有关，但他们所得到的峰值比大间隙比值时大，有时能达到25%，但实验中所出现的局部峰值并不特别明显，即上升幅度并不大，在2%以内(图4 (a))，并没有超过大间隙比值时的St值.在固定雷诺数下，在总体趋势上,St是呈下降的，如在Re =3632时,G/D=2时的St比G/D=0.3时的St 大22%左右.因为在实验中，圆柱一直处于嵌入空气湍流边界层内，圆柱所在位置湍流边界层较厚，达到2.4≤D D≤3.0(为未加圆柱时测量)，圆柱所在位置存在速度梯度，这是在空气中厚湍流边界层内圆柱绕流特有的现象.随着圆柱的高度降低，圆柱所在地的速度梯度以及湍流度有区别.从图4 (b)中可以看到，在固定的间隙比值下，随着雷诺数的增加,St稍有降低，几乎保持不变,Price[5]认为在这个雷诺数实验段,St值几乎是不变的，但他们所用的是层流边界层，且边界层很薄.
实验在G/D= 1.0,Re=6513.3,D= 2.5D 时，分别在距圆柱后沿3D,5D,10D及20D的地方测量了速度剖面，观察了圆柱对湍流边界层的影响范围.图5为所得结果，速度和距平板高度采用有量纲量.从图5中可以看出，圆柱对边界层的影响范围可达到10D以外，在距圆柱后沿20D处，圆柱的影响已很弱.由圆柱后方压力传感器数据的功率谱分析可知，在圆柱后10D及20D处
,
(a) 四个雷诺数下St随G/D
的变化
(b) 在固定的G/D下St随Re的变化
图4 St随G/D和R e的变化
已经不能检测到壁面脉动压强明显的周期频率
手机镀膜机
.
图5 圆柱对湍流边界层速度分布的影响
3 结 论
在有较厚湍流边界层存在时的近壁圆柱绕流测量边界层速度和壁面脉动压强，边界层厚度与圆柱直径比为2.4≤D/D≤3.0，实验分析得出如下结论.
a.对嵌入空气湍流边界层中的圆柱，当0.2< G/D≤2时尾涡无量纲频率St仍在0.2附近脉动.在测量雷诺数范围内，随G/D的减小,St总
・
128
・
华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版) 2006年
体有下降趋势；当G /D 减小到一定范围,St 会出现一个小的峰值，但并不特别明显，且峰值并没有超
过G /D =2时的St 值，这是与已有的用层流边界层和薄湍流边界层所得到结论不同的地方.到
G /D ≤0.2时检测不到明显的尾涡脱落频率，表明涡脱落受到抑制.在所测量的四个雷诺数下，随着雷诺数的增加St 有少许减小，基本保持不变.b .由于近壁圆柱影响，圆柱下游的壁面脉动压强呈现周期性变化，脉动压强频率和热线检测的速度频率相当.圆柱越靠近壁面，壁脉动压强周期性越明显，且在G /D =0.2时，还能检测到明显的周期性，但在G /D <0.2时，也检测不到明显的周期性.
c .在Re =6513.3时，嵌入湍流边界层的圆柱对边界层速度的影响能延伸到10D 以外.在圆柱后沿10D 及更远的地方，嵌入湍流边界层的圆柱尾涡脱落对壁面脉动压强的影响已极其微弱了.
参
考
文
献
[1] Bear man P W ,Zdr avkovich M M .F low ar ound a
cir cular cylinder near a plane boundar y [J ].Jour nal
of F luid Mechanics,1978,89:33-47.[2] Buresti G.
Lanciotti A.
Vort ex shedding from
smooth and r oughened cylinders in cr oss -f low near a plane sur face [J ].The Aerona utical Quar terly ,
1979,30:305-312.
[3] Grass A J ,Raven P W J ,Stuart R J ,et al.The
influence of boundary layer velocity gr adients and bed proximity on vort ex shedding fr om fr ee spanning pipelines[J].Journal of Energy Resources Technology,1984,106:70-80.
蒸汽回收机
[4] Taniguchi S,Miyakoshi K.F luctuating fluid forces
acting on a cir cular cylinder and int erfer ence with a plane wall [J].Exper iments in Fluids,1990,(9):197-204.
[5] P rice S J ,Sumner D G ,Smith K Leong ,et al .Flow
visualization ar ound a cylinder near t o a plane wall [J].Journal of F luids a nd St ructures,2002,16,(2):175-191.
[6] Lei C ,Cheng L ,Kavanach K .Re -examination of
the effect of t he plane boundar y on force and vor tex shedding of a circular cylinderS [J ].Jour nal of Wind Engineer ing and Industr y Aer odynamics 1999,80:263-286.
[7] Souza F De ,Delvillel J ,Lewalle J ,et al .Lar ge scale
coher ent St ructures in a tur bulent boundar y layer inter acting wit h a cylinder wake [J].Exper imental Ther mal a nd Fluid Science ,1999,19:204-213.[8] Luidino Zovatto,Gianni Pedrizzetti.Flow about a
cir cular cylinder bet ween par allel walls [J ].F luid Mech,2001,440:1-25.
Effect of Thick Wall Tur bulent Boundar y Layer to
Vortex Shedding of Cir cular Cylinder
WAN G X iao -qing 1 LI Wa n -ping 1
(1.School of Civil Eng.&Mechanics,HU ST,Wuhan 430074,China)
Abstr act :Labview and hot film anemoscope ware employed to study the fluid flow around a circular cylinder which bed in the turbulent boundary layer in the wind tunnel .T he vortex shedding frequency and the wall pressure fluctuations were measured with the aim of analying the effect of changing the clearance ratio shedding and the wall pressure fluctuations when the circular cylinder bed in the air turbulent boundary layer.T he r egularities of the dimensionless frequency of the wake vortex St are gained and varied as the clearance ratio and the Reynolds number changed ,and the variable r egularities of the periodicity component of the wall pr essure fluctuations.Also the effect scope of wake to the air turbulent boundary layer in a certain Reynolds number.Those will be the guidance for further study.Key wor ds :tur bulent boundary layer;flow around the circular cylinder;clearance ratio;vertex
shedding frequency ;wall pressur e fluctuations
・
129・增刊1王小庆等：厚壁面湍流边界层对圆柱脱涡影响的实验研究
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议