开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响

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1、2017年1月第43卷第1期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJanuary2017Vol。43No．1http：ffbhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．CllDOI：10．13700／j。bh．1001-5965．2016．0058开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响刘志荣1，邹赫1，刘锦生2，鲍锋1，朱睿1’8(1．厦门大学航空航天学院，厦门361005；2．清华大学航天航空学院，北京100084)摘要：开缝圆柱绕流作为钝

2、体绕流研究的分支，具备很强的应用前景，但是对其复杂的流动现象的物理本质的理解仍不完善。本文采用流动显示技术和粒子成像测速技术(PIV)，探究缝隙对开缝圆柱流场结构的影响，在数据处理方面采用本征正交分解(POD)方法对开缝圆柱流场信息进行了重建。实验研究表明：在一定雷诺数范围内，开缝圆柱缝隙的存在从根本上改变了圆柱绕流近区尾流的结构；开缝圆柱脱落涡的脱落频率对开缝圆柱缝隙倾斜角具有一定的敏感性，随着缝隙倾斜角的增大其斯特劳哈尔数逐渐变大，对比发现开缝圆柱狭缝比(缝隙／直径)为0．15时较0．10的斯特劳哈尔数具有更强的稳定性。关键词：开缝圆柱

3、；脱落涡；粒子成像测速技术(PIV)；本征正交分解(POD)；斯特劳哈尔数中图分类号：0357文献标识码：A文章编号：1001—5965(2017)ol-0128-08开缝圆柱由于缝隙的存在会对圆柱体前后压力差产生影响，从而影响圆柱扰流的阻力和漩涡脱落的频率等，对开缝圆柱的基础研究在流动减阻和流量测量等实际问题中具有广泛的应用前景¨]。国内外不少学者采用实验测量和仿真计算的方法对开缝圆柱绕流流场特性进行了一定的研究，但是对于开缝圆柱缝隙对边界层的影响的认识理解仍不完善。在实验研究方面日本横须贺国防研究院Iga—rashi教授在风洞中对开缝圆

4、柱流场进行了系统的测量，总结了开缝圆柱在不同工况下的流场特征心引；纽卡斯尔大学的Olsen教授和Rajagopalan则重点研究了缝隙大小和圆柱外轮廓形状对斯特劳哈尔数和阻力系数的影响M。；台湾成功大学Miau教授等”o在Igarashi旧’3o的研究基础之上，在水洞和风洞里对不同缝隙比的开缝圆柱流场进行了更为细致测量工作。国内北航的王晋军教授等的实验研究也表明开缝圆柱缝隙倾角在一定范围内可以减小流动阻力M1；中国计量学院的王慧和黄咏梅教授通过实验的方法对带狭缝圆柱钝体流量测量仪器进行了研究，表明带狭缝圆柱的涡街信号强度和信噪比高，斯特劳哈

5、尔数线性关系较好o7

6、；厦门大学的鲍锋教授等在循环水洞中对开缝圆柱缝隙内部流场进行了细致的测量工作，对开缝圆柱的流态进行了补充¨1。在数值计算方面，针对圆柱扰流学术界普遍认为采用大涡模拟(1argeeddysimulation)的方式进行三维数值模拟具有较高的准确性’84“，但直接对开缝圆柱绕流特性直接数值计算研究的相对较少¨J。国内厦门大学的鲍锋教授等采用大涡模拟的方式对不同雷诺数下不同缝隙宽的开缝圆柱仿真发现开缝圆柱尾流场具有一定的三维性，其仿真结果与实验数据能较好地吻合¨。；中国计量学院的王慧和黄咏梅也用数值模拟方法发现了收稿日期：2

7、016-01-18；录用日期：2016-01-27；网络出版时间：2016-04—1315：38网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160413．1538．008．html基金项目：国家自然科学基金面上项目(11072206)；福建省科学基金(2012JOl023)女通讯作者：E·mail：zhurui@xmu．edu．cn引用格式：刘志荣，邬赫，刘锦生，等．开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响口J．北京航空航天大学学报，2017，43(J)：128—135·LIUZR．ZOUI-I．LIUJ

8、S。eta1．Effectofangleofs／itonsheddingvortexofslottedcircularcylinderfJj．JournalofBeijingUni—yersityofAeronauticsandAstronautics，2017，43“，：128—135(inChinesej．第1期刘志荣，等：开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响129带狭缝圆柱产生的涡街信号强度高，旋涡尺寸较大，斯特劳哈尔数线性度好¨1；但值得注意的是也存在一些学者从其他领域侧面对开缝圆柱流场特性进行了分析，如对开缝旋转圆筒固定小翼构成的飞机

9、颤振激励器的气动特性¨纠和开缝圆柱强化对流换热进¨}151的仿真结果都从侧面对开缝圆柱绕流流场特性进行了分析。本文主要工作是基于厦门大学流体&粒子成像测速(PIV)系统实验室的精