串列水翼绕流非定常特征实验研究_朱健申.pdf
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1、 第 卷 第 期 年 月:串列水翼绕流非定常特征实验研究朱健申,王小静,王宗龙,刘腾岩(上海大学 机电工程及自动化学院,上海;中国船舶与海洋工程设计研究院,上海)摘 要:为了研究亚临界雷诺数()下串列水翼尾缘表面压力和流场的非定常特征,运用时间解析图像粒子测速法()测量和分析串列上、下游水翼的尾流场,并采集上、下游水翼尾缘脉动压力,进行多间距比工况实验。研究结果表明,在串列水翼间距比 较小(|、|)的工况下,串列水翼间的平均流场呈多涡流态,其中|工况上游水翼尾缘脉动压力频谱出现多个峰值频率;随着 增大(|、|),水翼间平均流场呈单涡流态,上游水翼尾缘压力以单频率脉动。|工况水翼中间流场内多点流
2、向速度脉动频率与上游水翼尾缘压力脉动频率相符;上、下游水翼尾缘存在共同脉动压力特征频率,相同流态下该频率随 增大而升高。实验结果可为水下部件的阵列布局提供一定的理论支撑。关键词:非定常特征;串列水翼;脉动压力;间距比;图像粒子测速法中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:作者简介:朱健申(),男,浙江绍兴人,硕士生,工程师,主要从事喷水推进实验研究。:;:,(,;,):,(),|(|):;()第 期朱健申,等:串列水翼绕流非定常特征实验研究 引 言串列钝体绕流问题常见于海洋立管、风力发电机组群、建筑群、格栅翼、地效翼等工程应用。流体流经钝体对下游部件产生的影响在船舶行业也受到关注。文献
3、中定义和总结了串列双圆柱绕流存在若干种流态:小间距比工况下,串列圆柱流场呈单钝体绕流形态,即上游圆柱产生的剪切流包络下游圆柱;随着间距比逐渐增大,上游圆柱剪切流不再包覆下游圆柱,而是在发生分离后重新附着在下游圆柱表面的某个点上,即“再附”();大间距比工况下,上下游圆柱各自脱涡。近年来,对串列钝体绕流的研究涉及串列圆柱间流场、尾迹和涡街;多柱体载荷的三维特性,多柱体的远场噪声,多扑翼主动控制流场及能量回收等方面。串列钝体绕流的研究可解决工程实践中常见的流致振动、噪声现象,也对主动控制钝体绕流场有重要意义。目前,串列钝体绕流研究模型多采用简单几何柱体,对流场特征和钝体表面压力关系的研究较少。本文
4、基于亚临界雷诺数工况()开展了水翼尾缘脉动压力测量和流场(时间解析图像粒子测速法)实验,结合脉动压力测量、流场速度脉动分析、流动流态试验结果,分析串列水翼绕流场和尾缘脉动压力非定常特征的关联以及二者关于间距比的变化规律。实验模型和方法实验模型水翼为尾部截断的,尾缘宽度为,如图 所示。上下游水翼攻角均为,水翼中心沿来流方向对齐,上游水翼尾缘至下游水翼前缘间距为,水翼弦长为。实验来流速度 为 ,雷诺数 ,间 距 比|、|、|、|。图 水翼实验工况示意图 实验在试验段尺寸为 小型循环水槽进行,最高流速为|,试验段截面流速不均匀度、湍流度均小于。串列水翼间流场和脉动压力实验原理如图 所示。连续激光器从
5、水翼两侧照亮目标区域的示踪粒子,使用高速摄影机拍摄位于上下游水翼之间的流场图像,通过上下游水翼后缘内嵌的压力传感器采集双水翼尾缘脉动压力。实验共对个 工况的串列双水翼之间和下图 串列水翼间流场和脉动压力实验示意图游水翼尾流场进行流场粒子图像拍摄,同时采集上下游水翼尾缘脉动压力。为直观对比串列水翼的流场特征,进行单水翼工况实验。水翼流场实验结果与分析.流场实验结果处理方法流场图像通过 互相关方法得到速度矢量场并绘制流线,如图 所示。流线图中,轴沿来流方向,轴垂直于来流方向,水翼尾缘与 轴线相切,位于 轴中间区域见图()。为直观体现漩涡尺度,将、轴数值除以水翼尾缘宽度,得到 和 。各工况流动周期为
6、,代表各工况流动周期内的瞬时序列(,),对应流线图表征在各流动周期内的典型流线特征。.单水翼工况流场结果单水翼工况瞬态和平均流线见图,记录 时刻单水翼尾缘涡对交替生成、脱落、向下游发展的过程。由于尾涡周期交替地产生,尾缘附近的平均速度场未呈现漩涡特征。.串列水翼时均流场结果与分析各间距工况双水翼中间和尾流场时均流线由图 所示。较小(|、|)的工况中,上游水翼尾缘出现旋向相反的涡对,该区域存在明显回流;较大的工况中,上游水翼尾缘附近双涡消失,仍存在局部涡结构,整体流态更接近单水翼工况。双水翼间局部回流区流向尺度随 增大而减小。下游水翼尾缘附近在各工况下均存在双涡,除|工况回流区尺度稍大,其余工况
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