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钝体绕流实验

/experiment on bluff-body flow/
条目作者郭辉

郭辉

最后更新 2024-03-01
浏览 191
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在风(水)洞等实验装置中对气(水)流流过钝体模型进行观察和测量的实验研究项目。

英文名称
experiment on bluff-body flow
所属学科
力学

钝体又称非流线体,其绕流以大范围流动分离为特征,下游产生宽阔的尾流,并伴有周期性或非周期性的旋涡脱落现象,阻力以压差阻力为主,流动呈现强非定常性和三维性。大多数工程结构往往采用钝体的几何形状,钝体也普遍存在于航空航天、交通等各个领域。典型钝体包括圆柱(球)、方柱、三角形、梯形,以及垂直来流放置的平板等。钝体绕流复杂,涉及流动分离、再附、旋涡形成及脱落,尾迹剪切层的不稳定转捩为湍流等。钝体绕流问题理论分析困难,数值模拟也难以给出可靠的结果,实验仍是主要的研究手段。工程上钝体绕流可能引起建筑物(包括桥梁)整体或部分结构破坏、地面交通工具(汽车和高速列车)大的阻力、噪声,影响污染物扩散等,因此钝体绕流在基础研究和解决实际工程问题方面都有十分重要的意义。

1878年,V.斯特劳哈尔发现了单根弦线的风鸣音调和风速及弦线直径存在比例关系,提出用斯特劳哈尔数描述这种尾流效应的规律。现在人们知道这种现象是由尾迹旋涡脱落引起的。1911~1912年,T.von卡门通过对绕二维圆柱旋涡流动的细致研究,给出了涡旋稳定性的理论根据,典型圆柱绕流的卡门涡街如图所示。卡门涡街不仅在圆柱下游出现,也可在其他形状的钝体后形成,例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物。这些建筑物受风作用而引起的振动,往往与卡门涡街有关。引起对此问题重视的案例发生在1940年,主跨度853.4米的塔科马海峡悬索桥,在风速不很大(19米/秒)的情况下发生垮塌,就是由周期性旋涡生成和脱落引起结构共振的结果。此后钝体绕流成为风工程的主要研究对象。

圆柱绕流的卡门涡街圆柱绕流的卡门涡街

钝体绕流特性直接决定着钝体所受的气动力。分离特性,如分离点的位置和分离区的大小直接决定阻力的大小;尾迹剪切层的发展,有无旋涡生成和脱落及其周期性强弱、旋涡的强度等决定着周期性侧向力的强弱。上述所有流动现象都受雷诺数的影响,是基础研究和工程试验直接关注的问题。

通过测力测压实验,直接给出风载荷,为工程结构的强度、刚度设计提供数据,以保证结构安全性。通常风洞采用模拟实验,即保证风洞实验和实际工况流动的相似性,除保证雷诺数等相似参数一致外,可靠的实验结果还应考虑地表大气边界层的影响,需要在模拟大气边界层的环境风洞中进行实验。

流动控制实验是利用流动控制技术改变流动的特性,延迟分离、减小分离区,降低阻力;抑制非对称涡形成和脱落,避免涡致共振,减小侧向周期性气动力(载荷),降低噪声。被动控制由于简单易实现,在工程应用中更受青睐,如安装于钝体底部顺主流方向上的隔板是很有效的被动控制装置之一。

常用的传统流动显示方法有风洞中的烟迹法、水洞中的氢气泡法和染色液方法等。烟风洞更是流动显示的专门设备。采用脉冲电源,烟丝法和氢气泡法能够实现时间线显示方式,通过数字化处理可以得到流场速度分布信息。激光诱导荧光技术更是可显示出涡结构细节。表面流动显示方法如油流法、丝线法可直接地获取边界层转捩、分离和再附位置等重要信息。

热线和激光多普勒测速技术属于单点测量技术,对流场干扰小,响应快,是捕获涡脱落频率的理想手段;数字图像测速实验属全流场测量技术,可获取某切面(激光片光面)的瞬时速度矢量分布,亦能显示出流动结构,经进一步后处理还可以得到流线图、涡量场等。

通过测力实验测得建筑物整体或其中一部分上的风载荷,包括时均风载荷和脉动风载荷。脉动风载荷实验中为了获得更广的测量频率范围,应尽可能制作轻质、高刚度的模型。

模型表面分布测压孔,采用常规测压系统,获取模型表面风压,特别是脉动风压分布特性。由于常规测压系统传压管路内部气体的阻尼作用,导致气流经过测压管路系统后,压力信号中的脉动部分发生畸变,造成测量结果不准确。可通过缩短传压管长度,增大内径进行改进,必要时需对采集信号进行畸变修正。

目前在钝体绕流实验研究方面取得的研究成果主要集中在低雷诺数、均匀来流或规则形状钝体的绕流问题上,很多问题尚待深入研究,如来流风场如何正确引入脉动风速条件、高雷诺数条件下不同体型钝体结构对周围流场的影响范围及复杂钝体结构表面的压力分布特性等。此外,探索能够有效抑制旋涡生成和脱落的流动控制方法,仍将是基础和工程应用研究的重要方向。

  • BARLOW J B, RAE W H, POPE A.Low-speed wind tunnel testing, 3rd ed.New York:John Wiley and Sons Inc,1999.
  • 范洁川,等.近代流动显示技术.北京:国防工业出版社,2002.

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