5.雷诺数对空腔水流时均结构的影响_201401

水

利学报SHUILI XUEBAO 2014年1月

文章编号：0559-9350（2014）01-0065-07收稿日期：2013-03-19

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题（2011BAB09B01)

作者简介：陈槐（1987-），男，江苏人，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail ：huai-chen10@

第45卷第1期

雷诺数对空腔水流时均结构的影响

陈槐，钟强，李丹勋，王兴奎

（清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084）

摘要：利用PIV （粒子图像测速）测得的不同雷诺数下空腔中垂面的流场序列，分析来流条件对空腔流场涡旋结构及掺混特性的影响。时均流场中存在两个不同大小、旋转方向相反的涡旋。随着雷诺数增大，大涡旋发展壮大并最终受制于固壁边界，小涡旋受大涡旋压迫而减小，两者最终稳定的雷诺数都接近2000，大小涡旋稳定半径分别为0.83D 、0.13D （空腔深度）。雷诺数的增大导致来流剪切层与空腔冲撞区域从空腔下游角点延伸至凹腔内部，其中，掺混程度相对较小的区域，面积随雷诺数增加而快速增大；掺混程度相对剧烈的区域，范围会较快趋于稳定。剪切层与空腔下游边壁的冲撞作用，决定了空腔的掺混特性，并使得雷诺应力高值区与时均大涡旋间的形态存在较好的相关性。

关键词：空腔流动；时均涡旋；雷诺应力；雷诺数；PIV

中图分类号：TV131文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb.2014.01.0091研究背景

空腔结构广泛存在于航空、水利等领域，如飞机的内埋式武器舱及起落架舱，内河挖入式港池、闸门门槽、关闭的取水口、船闸引航道及盲肠河段或渠段的口门，高速列车车厢连接部、敞篷车的敞篷及楼群密集的街巷（街巷剖面为空腔结构）等。

空腔结构的流动特性对空腔内物质的输移具有很大的影响，例如内河港池、盲肠河段的口门经常发生泥沙的回流淤积、污染物的滞留；楼群密集交通拥堵的街巷存在空气不易流通、质量较差的区域。空腔流场的涡旋结构及来流剪切层与空腔下游边壁发生冲撞，由此而引起的掺混特性，与槽道流动特性存在着显著差异。虽然空腔的长深比对流场结构具有较大影响，但Muto 等［1］

指出，来流条件也是决定空腔流场形态的关键因素。进行来流条件对空腔流场涡旋结构及掺混特性影响的试验研究，有助于认识空腔内污染物及泥沙的输移规律。

前人对空腔流动特性的研究主要集中在航空领域，流速通常在音速量级，以马赫数衡量来流条件的研究结果，不能在流速相对较小的领域（水利、环境等）得到类比应用。虽然一些文献以雷诺数来衡量来流条件，但关注的焦点较少涉及空腔流场的涡旋结构及掺混特性。对于空腔流场涡旋结构的研究有：杨国晶［2］应用数值方法结合试验，研究了12种雷诺数下空腔周向分布的脉动压力系数的变化趋势，并简要介绍了腔内涡旋的发展规律；Zdanski 等［3］描述了层流流态下空腔内涡旋形态的发展，并计算了大小涡旋中心距离随4种雷诺数的变化规律，但对紊流流态下的涡旋形态分析较少；Özsoy 等［4］研究了层流流态下空腔内瞬时涡旋在3种雷诺数条件下的统计特性；Lusseyran 等［5］描述了不同长深比试验条件下空腔中垂面内的涡旋形态，并研究了雷诺数与空腔横向平面内流体失稳间的

联系。对于雷诺数的影响，前人的研究结果存在不一致：So 等［6］通过模拟街巷内污染物在风力作用

下的传播规律，得出流体运动及污染的传播形式主要取决于腔体的几何形状以及雷诺数的大小；而

Matos 等［7］

采用大涡模拟，通过对比2组取值相差较大的雷诺数下空腔内的涡量场及温度场，得出雷诺数对空腔水动力特性的影响较小。对于空腔内的流体介质，以上文献中除了文献［2］的流体为水外，其余文献研究介质均为空气。

由上可知，前人对空腔的研究主要是以空气为流体，关于雷诺数对空腔流动影响的研究结果存在分歧，对空腔流场涡旋结构的定量计算较少，而且缺少对空腔内流体掺混特性的研究。本文利用自主构建的空腔流动测量系统，以水流为流动介质，研究不同雷诺数下空腔时均流场涡旋结构及掺混特性的变化规律，并建立了空腔流动形态的概化模型，解释时均涡旋的产生及其与掺混特性的联系。试验结果可为腔体结构中污染物及泥沙的输移研究提供参考。

2

试验方法2.1试验系统及试验条件试验在自循环式空腔流动系统中进行，空腔长深比L /D =4，试验系统见图1。出水管与大水箱的连接口处设有栅格，用以整流及消除大尺度结构，防止水面出现较大的波动；空腔两端分别连接足够长的过渡段，用以平滑过渡圆管与空腔的连接；空腔的背面为不锈钢，

上下和前面为玻璃。

（a ）空腔流动系统

（b ）空腔尺寸及PIV 测量区域图1简化的空腔流动系统及空腔尺寸

试验时，在循环系统中施放某一流量，调节

水泵及流量开关使试验雷诺数接近预设值，向水

流中加入适宜浓度的示踪粒子，等待15~20min 至

水流系统达到稳定，调节PIV 激光使其照亮空腔中

垂面（图1（b ）中的阴影区域），利用高速摄像机拍

摄存储试验图片。共对7组不同雷诺数的流动进行

测量，各试验组次的试验条件见表1。雷诺数定义

为Re=RU mean /v ；v 为运动黏滞系数，水力半径R 由空腔进口断面（未扩大前）计算而得，平均流速U mean 为空腔进口断面（未扩大前）处速度的平均值。

采用自主开发的二维高频DPIV 系统［8］对空腔中垂面的二维瞬时流速场进行测量，由于流场结构上下

对称，测量区域仅为空腔对称轴的下半部（见图1（b ））。DPIV 系统由NR3-S3高速摄像机、2WNd-YAG 型连续激光器、佳能EF 85mm f/1.2L USM 镜头、示踪粒子和PIV 计算软件组成。其中高速摄像机的CMOS 大小为1280×1024像素，示踪粒子为10μm 粒径的空心玻璃微珠（DANTEC HGS-10）。试验采样频率为800Hz ，采样容量为80000帧，图片长宽为960×360像素，分辨率为12像素/mm （83.3μm/像素）。2.2数据处理PIV 算法采用多级网格迭代的图像变形算法［9］，计算的最小诊断窗口为16×16像素，每张图片可算出60×22的二维速度点阵。从时均流场中提取时均涡旋参数（涡核位置及涡半径），由雷诺应力场计算空腔内流体的混掺特性，通过对比各组次间时均涡旋及掺混特性的差异，探讨雷诺数对空腔流动特性的影响。

采用λci 方法（Zhou 等［10］）提取时均流场涡旋的中心位置，如图2（a ）（文中所有坐标及长度都用空组次温度/℃v ×10-6/（m 2/s ）U mean /（cm/s ）Re 1181.0583.8240217.51.0849.96103181.05817.010704181.05830.91950518.51.04542.22670619.31.02454.735607191.03264.94190表1试验条件