各种间隙比下水平圆柱绕流特性的实验研究

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1、第!"卷!第#期实!验!力!学789:!"!*8:#!$$%年"$月&’()*+,’-./0.)12.*3+,2.45+*146’;<:!$$%文章编号!"$$"=>???!!$$%"$#=$%"@=$@各种间隙比下水平圆柱绕流特性的实验研究"齐鄂荣"!李国亚!!李!炜"!吴!剑"!张!昕A!":武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室#武汉>A$$@!$!:中国三峡总公司#宜昌>>A$$!$A:中南建筑设计院#武汉>A$$@""摘要!采用粒子图像测速仪!017"和超声测速仪!+_7"系统#对间隙比R为$:$#@:$!即为圆

2、柱与底壁相接触时至圆柱与水面相接触时"浅水横流水平圆柱绕流流动进行了系统实验研究$根据所测结果#讨论了在各种间隙比情况下圆柱上%下游的紊动强度%雷诺应力沿水深的分布规律&分析了在各种间隙比情况下旋涡的生成%发展和演化的现象和规律&分析了瞬时数据时均化后的时均流场结构特性&比较了瞬时流场和时均流场的特点及差别$本文成果对具有类似流动特点的工程问题具有指导意义$关键词!017&+_7&圆柱绕流&紊动强度&雷诺应力&旋涡结构中图分类号!’A#":A"37"A#!!!文献标识码!+$!前言!!浅水横流中近平板!固壁"圆柱绕流是流体力学

3、中一个基础课题%如环境工程中在江河水体中的排污管道#管道输运工程中铺设于江底&海底的运输管道&光缆#以及隧道工程中采用沉管法放入江河水体底部的管状隧道等都可概化为在浅水横流中水平圆柱绕流%’"(关于横流中近壁圆柱绕流的实验研究#在较早时期有‘RCNHCJ和TNCXK8XI;U!"D@?"#他们利用风洞实验研究了雷诺数;-为!1#j"$>和>1?j"$>&圆管与平板之间间隙比!PCQ=NC

4、$:!保持为常数的结论%-NRTM和5CJMRJ!"D?@"在‘RCNHCJ的研究基础上#通+R过系列水槽实验研究了管道流动分离情况&圆柱压力和升力#但没有给出这种情况的流动显示%,RI等’A(通过风洞实验研究了雷诺数;-为":A$j"$>到":>#j"$>之间圆管与平板的间隙比&边界层厚度及速度梯度等参数与升力&阻力&涡体脱落现象等的关系#给出了升力系数的计算公式%另外#3CJITC’>(’#(和’KC^IHC等还对近底水平振荡圆柱在均匀流和尾流中的稳定性进行了实验研究$陈兵等#林长’%(圣对近底水平圆柱绕流进行了数值模拟和

5、分析%最近#吴剑等针对不同直径的圆柱进行了间隙比R’@(E$:#和不同雷诺数情况下的横流近壁圆柱绕流的实验研究$齐鄂荣等分析了不同间隙比下圆柱绕’?(流流场中旋涡的变化特征%目前#对于横流中水平圆柱绕流的实验研究并不多见%从查阅的文献来看#多数是针对空气为对象的近壁圆柱绕流流动问题#以水为研究对象的近壁或非近壁圆柱绕流流动问题涉及较少#对于处于有限水深的浅水横流中的圆柱绕流的实验研究则更少%而且这些横流中近壁水平圆柱绕流的研究#主要针对圆柱压力分布和受力情况#对圆柱后流场中旋涡的运动和发展涉及的不多#特别是对旋涡结构的变化"收

6、稿日期!!$$#=$?=!>"修订日期!!$$%=$@=!>基金项目!国家自然科学基金资助!#$>@D$A#"通讯作者!齐鄂荣!"D##B"#男#硕士学位#副教授%主要研究领域)环境水力学#水工水力学#洪水水力学%目前在进行以环境&万方数据水工为背景的典型流场结构实验研究%.=HCI9)RNbI$]US:RTS:;J%"?!!!!!!!!!!!!!!!!实!验!力!学!!!!!!!!!!!!!!&!$$%年’第!"卷!和发展研究不多!对圆柱后紊动强度"雷诺应力的分布规律也研究不多#本文旨在用实验的方法!运用017激光流速测速技

7、术和+_7超声测流技术!对浅水横流中不同间隙比的水平圆柱的绕流瞬态流场进行动态测量!根据所测结果!研究各种情况下流动特性及旋涡结构的发展变化#"!实验方法实验在一宽"$$;H!高#$;H和长!$$$;H的玻璃水槽内进行!水槽的测量段为"!$$;H#进行实验的有机玻璃水平圆柱安放在水槽测量段中部偏后区域#水槽装配有进水阀"尾门及电磁流量计!可控制和给出通过水槽的横流流量"水深#具体细节及实验设备示意图可见文献$@%#实验采用017激光流速测量仪作为主要测量手段!实时动态测量了浅水横流中各种间隙比下水平圆柱的绕流流场#为保证了流场

8、流动的二维性!另外还使用了+_7三维超声多普勒流速仪对横流的流动特性进行测量分析#关于017激光流速测量仪的测量原理和粒子跟随性问题!以及横流特性和圆柱安放位置处特性的分析可见文献$D!@%#定义圆管下壁到平板底壁的距离-与圆柱直径O之比为间隙比R&PCQ=NC