通过钝体流的可视化

在这一配置中, 我们将考虑一个均匀的水流速与速度 (称为自由流流速) 接近一个圆柱体 (图 1). 根据雷诺数所描述的流动条件, 这种流动可能会变得不稳定, 并引起涡脱落。涡脱落是典型的流动过去的钝体, 而不是流线型的机构, 展示边界层分离在他们的表面的大部分。这种边界层分离导致形成的漩涡背后的身体, 可能最终分离到尾迹。当周期性的分离发生时, 当脱落频率与身体的固有频率重合时, 涡产生在机体后面的低压交替区域, 这可能成为共振载荷。这个旋涡脱落过程被称为 "冯 Kármàn 涡街" (图 2)。这种旋涡涡旋的重复模式是由钝体周围的非恒定流分离引起的, 并发生在雷诺数的一定范围内。避免这种情况在设计诸如烟囱和桥柱等工程结构中是非常重要的, 因为它可能导致灾难性的失败。

图1.流过圆柱。基本配置示意图。具有速度的齐次流 接近直径的直线圆柱形,其对称轴与接近的速度垂直.

雷诺数是一个无量纲参数, 定义为惯性力与粘性力的比值:

(1)

其中, 是流体的运动粘度, 特征速度 (在本例中为), 以及圆柱直径. 雷诺数可以说是流体流动特性中最重要的参数, 在目前的实验中将被用作 Kármàn 涡街出现的量度。特别是当雷诺数在5左右时, 流在气缸后面有两个稳定的反旋转涡旋。随着雷诺数的增加, 这两个涡旋沿流动方向拉长。当雷诺数达到大约37的值时, 由于压力和动量之间的不平衡, 尾迹变得不稳定并开始振荡正弦。雷诺数的进一步增加到47导致二个逆旋转旋涡从圆筒分离在跟随正弦苏醒振荡的交替的序列 [45, 6]。

旋涡从气缸流出的频率不是恒定的;它随雷诺数的值而变化。脱落频率的特点是两相数, 这是另一个无量纲参数的相关性在这个特殊的流体流动配置:

(2)

这里, 是旋涡脱落频率, 长度和速度尺度与雷诺数相同. 涡脱落频率可以然后描绘为两相数字作为线性函数的反平方根雷诺数 [7]:

(3)

这一函数并不总是单调的, 它表现出进一步的过渡, 由于二次不稳定性欠的流体流动的非线性。因此, 系数和将根据雷诺数范围更改. 表1显示了这些系数对于在文献 [7] 中被很好地描述的流动制度的价值。

在目前的实验中, 我们将使用流动线来研究圆柱体周围的外部流动。这些流线定义如下:

· Pathline: 流体颗粒随水流移动而随之而来的路径。

· Streakline: 在同一空间位置的所有流体粒子的连续轨迹。

·时间轴: 在形成连续轨迹的同时, 在同一时刻标记的流体粒子集。

·流线: 在瞬间与速度场相切的连续线。

前三行相对容易生成实验, 而流线仅仅是一个数学概念, 一般必须通过后处理的速度场的瞬时捕获。虽然这始终是正确的, 但由于 pathlines、streaklines 和流线是相互重合的, 因此该分析在稳定流中大大简化。相反, 在非恒定流中, 这些线通常不重合。这项技术的实施通常是简单的, 只需要低成本的设备, 而不是更复杂和昂贵的技术, 如粒子图像测速 [1], 粒子跟踪测速 [89], 和分子标记测速仪 [10]。

图2.代表性的结果。(a) 连续的氢泡, 显示 streaklines 的上游扰动。由连杆投射的阴影用于确定从机器到实际单位的转换。还说明了旋涡脱落循环, 以帮助确定适当的脱落频率。(B) 由氢气气泡产生的时间线。由于时间线频率是很好定义的, 可以用来准确地测量流速;计算红线所包含的时间线将用于此估计.请单击此处查看此图的较大版本.

Table1.系数 和 的值不同的雷诺数间隔 (从 [8]).

图 2显示了 Kármàn 涡街的氢气泡可视化的两个代表性结果。图 2(a) 显示了 streaklines 的一个例子, 如氢气泡片中的扰动所证明的那样。该图像用于在机器单元中提取杆的直径。图 2(B) 显示一个时间表领域的例子。该图像用于估计逼近的流体速度。从这个特定的实验提取的参数总结在表2。

Table2.代表性结果为流动通过一个圆筒.

参数	值
D_o	0.003 m
D_i	14.528 分
f_s	2.169 赫兹
f_tl	10赫兹
我	130.167 "分"
m	4842.67 "分" 捉 "m"
N_s	60
N_tl	7
t	27.66 s
U_∞	0.0384 米/秒
ν	1.004× [10] ^ (-6) m2/秒
重新	115
圣	0.169

由于雷诺数为 115, 目前的例子, 这个结果的有效性可以用等式 (3) 来检验

(7)

从中我们得到:

(8)

将这一估计与我们的实验结果进行比较 (参见表2以供参考), 我们可以得出结论, 我们的实验提供了一个令人满意的结果。图 5显示了与公式 (7) 的预测相比较的一组实验结果。

图 5.实验结果。对比目前的实验结果与预测的雷诺数和两相数之间的关系的流动过一个圆形圆筒.

在这项研究中, 利用氢气气泡, 以提取定性和定量信息从流动的图像周围的圆柱体。从这些实验中提取的定量信息包括自由流速度 ()、旋涡脱落频率 ()、雷诺数 (Re) 和两相数 (St).特别是, St vs Re 的结果与先前的研究有很好的一致性 [3]。

由于在当前实验中使用的速度慢, 气泡片中的扰动产生了五花肉气泡层。这些条纹基本上是 streaklines 的。随着氢气气泡片向下游移动, 这些 streaklines 变厚, 变得更加不规则。这是自由流中湍流强度的结果。由于气泡离开测试段前, 在呈现出明显的分散作用时, 隧道的速度会随之增加而减弱。Streaklines 也可以生产在预先选定的地点, 通过涂层的电线, 而留下的小部分, 它暴露在水中。

目前的流动行为是直接适用于过去的工程结构, 如桥梁和海上石油钻机, 风力涡轮机塔, 或电源线杆等的支柱。事实上, 这种行为是由钝体所展示的, 而不是圆柱状的, 如天空铲运机。考虑到旋涡产生的流体结构相互作用, 使结构振荡, 知道涡脱落频率的给定结构将暴露是关键的设计。在这方面, 工程师必须确保结构的固有频率不是这样, 它会与旋涡脱落频率产生共鸣, 因为这种影响将不可避免地导致结构的灾难性故障。使用适当的结垢定律 [10] 和水洞中的氢气气泡, 工程师可以在施工前模拟水流与结构的相互作用, 以确保其设计是安全的, 或者是发现它是否需要修改。

除了钝体, 氢气气泡可视化是一个非常强大的工具, 研究围绕流线型机构, 如翼型或船体。利用这一技术产生的流线, 可以确定失速发生的角度, 甚至估计基于流速的升力特性。更重要的是, 流体线的变形模式将有助于工程师优化其设计。

氢气泡的可视化并不局限于像上面提到的外部流。该方法还可用于观察明渠或全封闭流系统的流量。在后一种情况下, 墙壁需要是透明的, 以确保光学通道。例如, 如果一个人有兴趣设计一个流扩散器的亚声速流, 氢气气泡可以用来确定几何和流动条件, 扩散将表现出流分离和不稳定。根据这些观察, 设计可以进行实验优化, 以确保其正确的功能。