文摘

本文研究了雷诺数的影响(Re), Keulegan-Carpenter数量(KC),周围流动分离和差距比圆柱阵列通过PIV方法实验。涡旋脱落的情况每半周期振荡运动的观察。不管有多少缸,KC是占主导地位的关键参数在低再保险有很大影响振荡流的流态和流运动。有一个影响区域的涡旋脱落的汽缸。当两个流中的内联气瓶,较小的差距比可能延长涡旋脱落的影响区域。对于s / d = 2,涡旋脱落发生在每个气缸都有一个同时性和独立性。s / d = 1.5,比减少差距导致上游下游脱落涡与气缸,使涡旋脱落的影响区域下游圆柱进一步延伸。s / d = 1,中心区域的干扰明显明显的涡旋脱落是抑制甚至遵循交叉流的差距。

1。介绍

流动分离在单缸很好理解(1),流体力学在单缸稳定电流和振荡流流政权和军队从两个方面。气缸的稳定电流、流动机制都依赖于缸雷诺数(Re)。随着Re,漩涡会产生后的气缸。

涡旋脱落发生在任何一方在某一频率随着地区当超过40。湍流边界层分离发生在缸的一边与另一边的层流3∗10⁵< < 3.5∗10⁵(2),这可能导致重大非零意味着提升缸。二维涡脱落发生在40 < Re < 200的范围和涡旋脱落是层流模型3]。它在跨度方向将保持不变。发病的临界雷诺数涡旋脱落决心是474]。另一方面,相同的结论可以得出,涡旋脱落变成三维,高空和旋涡脱落细胞方向的200 < Re < 300 (5]。横生,具体来说,发病已经观察到Re = 160确认数值和实验6]。摩擦阻力的比例与总阻力小于4% Re > 10⁴这样被忽视的磨擦阻力不重要的总平均阻力(7]。非周期脱落政权可能发生某些KC和再保险在不同模式之间轻松切换的数值方法(8]。混合欧拉/拉格朗日离散涡方法被用来模拟振荡圆柱绕流(9),与实验数据吻合很好。

涡旋系统的交互之间的一对并排广场圆柱体在数值,这表明不同缺口比率的圆柱体,扮演着一个重要的角色在涡旋脱落并排圆柱体的某些Keulegan-Carpenter数量(KC)值(10]。不同的KC值的影响,通过有限元仿真,研究了基于四个气缸在广场周围的振荡流安排的2倍差距比(11]。direct-forcing浸入边界法(12)开发模拟水动力加载在振荡流的圆柱阵列,结果与之前的研究相一致的(11]。加快(晶格玻尔兹曼方法)在数值和PIV(粒子图像测速技术显现的)(13)实验探讨六内联广场圆柱体绕流稳定的电流,这指出比例的差距是重要的流态(14]。所有的研究表明差距的重要性比一个圆柱体周围的流态形成数组。然而,没有人观察流动分离的圆柱阵列实验。从以前的文献,四个主要因素应该是至关重要的一个圆柱体周围的流动分离在振荡流中数组,再保险,KC,缺口比率,因此缸的数量,一个实验进行观察周围的流动分离一个圆柱体数组,这有限的两个柱面对齐,在振荡流,分析提出了。

2。方法

2.1。实验装置

实验是在一个u形管进行计算机控制的机器称为SmartMotor [15)提供振荡流,如图1。气缸设置内联在u形管的底部的中心。示踪粒子需要被添加到流在实验之前,可以想象下流体运动光源(u形管下面)。在实验过程中,数码相机设置在u形管前面捕获的流体运动,然后在Digiflow数据输出到计算机(16]。液体可以有不同的密度通过溶解盐到自来水,和粒子的密度可以调整使流体完全充满粒子,这样可以实现最佳的观测性能的流体运动。

振荡的振荡往往是由气缸(1,17,18],它有三个重要的缺点:(1)圆柱体振荡会导致振动,这可能会影响稳定性和流动实验结果造成偏差;(2)油缸的运动意味着它不能紧贴着墙,所以气缸的端效应不容忽视;(3)圆柱振荡有限的设备比这里使用的电机运动导致振动仿真的一些不便。因此,振荡流是通过电动机运动实现密封的u形管的这个实验。

由于涡流形成后,可以大大复杂和不稳定流动。粒子图像测速技术(PIV)这样一个方法可以捕捉瞬时流体速度与示踪粒子在整个流场。PIV (19)已经发展成为主导和标准方法测速实验流体力学(20.- - - - - -23),尤其是在研究湍流和复杂流动。数码相机可以捕捉一个光源下的示踪粒子的运动与流体运动流重建审讯的电脑,这样可以获得流速。

2.2。代的振荡流

SmartMotor可以模拟各种振荡运动容易在许多应用程序中通过设置目标位置、速度和加速度。振荡流将余弦曲线曲线为简单起见在这个项目中, 在哪里振幅,这段时间,是时候了。然而,振荡流的两个关键参数可以产生巨大影响圆柱体周围的流动分离,再保险和KC,如下: 在那里,雷诺数,是Keulegan-Carpenter数,气缸的直径50毫米,最大速度,是运动粘度,的周期振荡流。在余弦曲线运动,更长和较小的振荡运动的温和。因此,再保险和KC的价值可以通过调整控制电机运动的频率和振幅。与此同时,控制变量方法应用于找出和影响流动分离,分别。可以获得 ,因此可以获得和KC可以获得KC∼。作为决定一定的振幅,KC绝对是相同的振荡流与不同时期T,然后重新获得的效果。另一方面,相同的A / T样本组,KC的影响相比,可以观察到不同的组。

考虑的合理性和KC值和设备的限制,的值设置为0.01,0.02,0.05和0.1 mT设置为3、6、9和12。因此,数据集形成如表所示1和2。

然而,当SmartMotor执行设计运动,该运动之间会有偏差和仿真运动。之间存在相位差的余弦曲线和仿真曲线设计的时间。此外,相位差与更长一段越来越明显,这表明仿真频率可能有点大于设计余弦运动。然而,振幅曲线是完全一样的。因此,使用傅里叶变换计算出不同频率的仿真运动组件。FFT(快速傅里叶变换)是在MATLAB应用,这是一种更快的版本的离散傅里叶变换(DFT)。DFT需要离散信号在时域,将信号转换成离散的频域表示。结果从FFTy= 10 cos(2πt / 6)与20-period样本显示在图2(一个),另一个没有给出结果。周期是3 s时,设计频率f₀1 / T = 0.33年代吗⁻¹和频率的主要组件模拟运动f_年代是0.36秒(f₀= 0.167年代⁻¹和f_年代= 0.1855年代⁻¹6年代,f₀= 0.11年代⁻¹和f_年代= 0.12年代⁻¹9 sf₀= 0.083年代⁻¹和f_年代= 0.090年代⁻¹12。设计频率对模拟频率曲线如图2 (b)。的数量级ν是明显大于T频率差异的影响可以忽略。同时,KC a。因此,有关振荡流的生成适合这样的实验。

3所示。初步实验没有气缸

这个实验的第一阶段是应用不同的振荡流没有气瓶检验PIV测量。起初,u形管被认为是振荡的振荡流泊肃叶流动。振荡泊肃叶流动的分析解决方案可以从navier - stokes方程。坐标设置如下:x设在中心的通道平行于流向方向;的z设在垂直于顶部和底部墙(由方向);和y设在垂直于前后墙。在实验中,只考虑二维流分离就考虑x设在和z设在。因此,navier - stokes方程可以表示为

速度应该是水平的,只有是离开了。同时,压力由不同的水压力液位变化。作为一个结果,u=f(z)e^我ωt,=p_马克斯e^iωt/ l,= Ee^iωt(p_马克斯=ρgA,E= gA / l,一个余弦运动的振幅,l是u形管的长度是2米),所以使用它们来取代navier - stokes方程得到了什么

然后解决这个非齐次微分方程得到振荡泊肃叶流动的速度方程: 在那里,= 0.01米, , = 2π/ T (是振荡的周期运动),= 1.5×10⁻⁶·米²·年代⁻¹。

有一个实部和虚部在这个方程,应用MATLAB演示泊肃叶流动的速度变化z和t。T(时间)设置为3 s和0.1米(从实验对比结果)。t将改变从0到3 s,所以速度曲线z= 0的振荡周期是显示在图3z将从−0.01到0.01米,所以速度曲线t= 2.3显示在图4。因此,u-t曲线显示,速度相同的趋势与余弦振动率(同期)。u-z曲线呈现u形管水流的速度在不同的地区。具有相同的速度和流均匀大部分地区从下到上,但速度会明显小在底部和顶部附近的区域。然而,气缸将设置在管的中心,因此,中心区域可以为振荡流提供一个统一的速度。同样,PIV测量也有相同的结果。

振荡流所产生的运动一个= 1、2、5、10厘米T= 3、6、9和12 s是模拟,和PIV测量进行,如图5。的运动一个10厘米的T3 s太快速捕捉示踪粒子所以放弃。电动机的截面不同截面的流动,所以连续性原理应用于变换运动运动的流运动。电动机的横截面是圆截面直径D0.185米,流节是0.2×0.2米的横切面²(b×b)。流体的连续性

所以,理论流振幅一个_f可以导出。同时,统一的速度是余弦的一部分,因此,理论最大流速也可以获得。整个流体速度场可以获得PIV测量和平均速度从80 mm到80毫米−作为测量速度。所以速度的最大测量可以从每个曲线读取,如表所示3。比较理论最大流速和最大测量速度,是有区别的,这可能是由于电机的摩擦或PIV的审讯方法。然而,偏差被认为是可以接受的。

4所示。两个内联圆柱体振荡流的结果

4.1。低KC

两个内联气缸设置沿中心线之间的距离不同。的差距比s / d (s是两个气缸之间的距离的表面)1、1.5和2。同样,KC是关键参数对流动分离两个内联气缸低再保险。当KC = 0.8和1.7,相同的流型为每一个气缸发生一个气缸套(1]。每个圆柱绕流几乎是圆柱体,与低KC和流动分离不能发生。所以,上游的干扰汽缸内不能到达下游一个等间距s / d 1, 1.5, 2。

4.2。KC = 4.2

当KC达到4.2时,一双漩涡后将形成区域每个气缸的流向。涡对仍附在各缸单缸会发生什么。流模式不会改变KC和间距等。图6(一)在这种情况下是典型的流动模式。然而,气缸之间的间距可以影响它们之间的速度。根据水平速度轮廓不同缺口比率,速度的差距显然减少了10毫米/秒的差距比减少0.5,如图6 (b)- - - - - -6 (d)。一般来说,低KC不能改变圆柱周围的流型,但较小的差距可以减速气缸之间流动的差距。

4.3。KC = 8.4

在这种情况下,涡旋脱落应该是发生在单缸,和每一个两个的也是如此内联汽缸从观察、描绘在图7。所有的实验都在Re = 3515.1和KC进行= 8.4。虽然涡旋脱落形式,流动模式将改变在某些方面与不同比例的差距。对s / d = 2,两个气缸之间的间距是不足以形成一个镇定的涡旋脱落在每个气缸。此外,涡脱落从左缸移动相同的距离和从右汽缸。结果,第二个下游圆柱可以被认为没有影响上游涡旋脱落形成在s / d = 2。同时,缺口流取决于流运动后地区的每个气缸。同样,涡旋脱落发生在每个半周期振荡流的运动为单缸。对s / d = 1.5,每个汽缸的不再是足够长的时间间隔不相互干扰。脱落涡从上游圆柱到达第二下游圆柱,所以漩涡可以与下游圆柱。 It can be depicted in Figure7 (b)下游涡旋脱落在其中传播的摄像头范围内,但下游涡运动接近另一个汽缸。此外,缺口流下游圆柱的影响。对s / d = 1,这样的差距比涡旋脱落一个伟大的区别。第二缸的堵塞,流将交叉的差距,从而导致涡旋脱落的方向改变。涡被向顶部边界的流动穿越在图的差距7 (c)。

然而,一个奇怪的现象是偶尔观察到当s / d为1.5,即涡应该摆脱远离气缸传播距离很小,有时甚至和涡旋脱落消失。原因可以描述如下:首先,下游圆柱块涡旋脱落的道路,反映了涡回到上游;其次,侧流把一些压力漩涡,漩涡附着在气缸;第三,新形成的涡流可能与旧的冲突漩涡形成于去年半周期,所以老涡可以推动新的附加缸。这种现象不会发生在s / d = 2,因为差距足够大,也不会发生在s / d = 1,因为交叉流动将使涡脱落在垂直方向。

4.4。分析速度剖面

空点的坐标设置两个气缸之间的中心线的中点。一秒钟是30帧。PIV测量,提供的流体速度场。如上所述,边缘地区的平均速度被视为平均流速没有缸或平均流速不受汽缸(U₀在每一帧)。这里的速度是水平速度。在这样一个条件与Re = 3515.1和KC = 8.4重点是找出差距的影响比流动分离。归一化的变化速度U/U₀沿着三个横向位置了。这三个位置的左右两个气缸(前和后地区)和中心这两个气缸之间横向班轮。为了比较两个后区域的流动分离这两个缸,每个缸两侧位置的距离应该等于距离中心各缸。所以,x需要±3 d s / d = 2,x需要为s / d = 1.5±2.5 d,和x需要±2 d s / d = 1。数据8- - - - - -10描绘了归一化速度和速度轮廓在半周期s / d = 2, 1.5,分别和1。

s / d = 2,这两个缸是没有相互影响周围的流动分离,这意味着速度场变化后的每个气缸都应该显示相似,如图8。x= 0和x=−3 d后地区的流量来自右侧,x= 0和x= 3 d后地区流动来自左侧。后这两个地区都是一样的对每个气缸。两个流方向,规范化速度后地区也有类似的变化y设在。此外,变异与单缸相同。此外,归一化速度的差异两个后区域相对较小,尤其是比s / d = 1例。换句话说,这两个wake-region-normalized速度相同形状的变化意味着涡旋脱落发生在每个气缸都有一个同时性和独立性。在前面的区域,速度横向位置超出了流动分离和涡影响和在整个流运动保持不变。

对s / d = 1.5,这两个气缸可以互相影响,从而导致混乱的状态。然而,在这种情况下,发生了一些奇怪的。从第一个图在图9,缸前区附近的速度明显下降。这里提供的解释是:距离是足够接近使上游涡旋脱落和下游圆柱的交互成为可能。当流涡传播到下游圆柱,它可以做出贡献的涡度源切断下游涡旋脱落。因此,下游轻松快速地形成涡旋脱落,这意味着进一步涡可以移动。当流动方向变化时,涡流会影响这个区域将从后地区前地区速度将减速。当然,气缸可以阻止流,也会导致减速流运动的气缸。因此,前面的速度减少区域可以观察到。的速度轮廓可以看出前面的窄带区域的上游圆柱减速区域。另一方面,位置x=−2.5 d是涡旋脱落应该发生和涡旋脱落发生在中心区域。然而,它们之间的区别相当大而s / d = 2的情况下,这意味着更小的差距导致的干扰涡旋脱落在中央区域。在接下来的半周期,前面的速度区域也表现得像以前一样但它通常会跟上整个流运动。同时,速度后相同地区的变化趋势和仍有差别。换句话说,较小的差距比具有明显影响涡旋脱落的差距但效果依然疲弱。因此,差距比例变化不仅可以影响两个气缸之间的中心区域,也做出了巨大的贡献,前和后地区的流态。

s / d = 1,速度变化在前面的区域仍然存在如上所述。此外,中心区域的干扰明显明显。起初,速度是减少更多的下游地区。可以导出,涡旋脱落后下游地区已经发生而抑制在中央区域。然而,速度是减少更多的中心区域在未来时期的一半。可以解释为,穿过缺口流由于几何两个气缸推动流体向上或向下的差距,所以流与差距差距只是遵循流在垂直方向和水平速度降低。

五个观察点设置的过程速度随着时间的推移,如图11。图12演示了规范化的过程中速度与不同的差距比s / d。根据规范化的过程速度随着时间的推移,流态也显示了一个周期性,周期仍然是整个流的半周期运动。点D和E在某种程度上具有相同的趋势,所以差距的效果比在双方的面积相对较低。相反,中心区域的速度变得完全不同的变化比例的差距。B点位于中心的两个气缸,速度变得越来越混乱,有两个气缸靠拢由于间隙流的干扰。点A和C是位于顶部和底部区域,他们有一个相反的过程与对方相比,这可能是导致形成的涡旋脱落在一边。然而,差距小,速度在顶部和底部定期不再仅仅是减少或增加单调,这可以归因于交叉流动形成的差距。间隙流的交互和涡旋脱落使运动更加复杂。

5。结论

的粒子图像测速仪(PIV)方法应用于测量流速度场在不同配置来探索再保险的影响,KC,差距比流动分离在一系列圆柱振荡流在这个项目。

第一个配置振荡流没有缸中整个流管作为振荡泊肃叶流动。振荡流没有缸是统一在最高空区域除了一个相当小的边界层顶部和底部墙附近的速度明显小。整个流程没有缸可以被视为一个统一的流程,也是一个余弦振荡流的同期振荡运动运动。

第二个配置是两个内联圆柱体振荡流中缺口的影响比(s / d)是探索。低KC不能改变圆柱周围的流型,但较小的差距可以减速气缸之间流动的差距。KC = 8.4时,涡旋脱落发生在每个气缸,和流态可以比影响显著的差距。

事实上,流动分离模式在这种配置主要取决于cylinder-to-cylinder差距比例根据上述调查。更具体地说,两个斜面之间的间隙流圆柱体形状涡旋脱落的轨道。(一)在s / d = 2,间隙流动遵循一般的余弦振动泊肃叶流动,和流速的差距能适应后地区的速度。因此,镇定的独立涡旋脱落在各缸同时产生。(b)在s / d = 1.5,差距导致上游漩涡将流向下游圆柱上游涡与下游一个和下游涡旋脱落更进一步。此外,前速度明显降低由于涡旋脱落形成最后的半周期。(c)s / d降低为1,从水平到垂直流转换的差距。速度模式的差距是相反的,在底部的差距,虽然速度后地区展览相似之处与s / d = 2。和交叉缺口流将定位产生的涡旋脱落,推动漩涡上游下游缸缸远离。

一般来说,本文提供了一种新方法来分析圆柱阵列和PIV测量周围流动分离。观察涡旋脱落传输速度场变化的观察,在某种程度上,它可以提供一个定量分析。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢杨教授表示,优秀的写作指导。此外,作者还想感谢教授弗朗西斯科·弗朗哥努力工作和公平这个手稿的评论。