采用U形水槽试验的方法,研究在不同间距比情况下正“品”字与倒“品”字形三方柱的绕流现象。由于“品”字形三方柱在不同间距比情况下绕流机制较复杂,水槽边壁又存在一些影响,因此添加了近壁非淹没与淹没单方柱试验组。通过粒子图像测速(PIV)系统,测量了“品”字形三方柱附近的水流结构,得到了流场、紊动强度、雷诺应力、拟涡能、变形能等水流分布及变化特征,对试验结果分析得出如下结论:Ⅰ.近壁方柱绕流试验:(1)非淹没方柱(1)流场结构特征方柱近壁距离为0时(相当于丁坝),方柱后方形成一个较大的漩涡;方柱近壁距离为1~3cm时,方柱后方形成一对平行的漩涡,且随着方柱近壁距离的增加,两漩涡逐渐对称。(2)紊动强度分布特征方柱左侧、方柱后方近水槽边壁处及沿方柱左侧向下游延伸一段距离近主流区一定范围内紊动强度都较高,且随着方柱近壁距离的增加,紊动强度及范围逐渐增大。(3)雷诺应力分布特征方柱左侧形成正雷诺应力区,沿方柱左侧向下游延伸一段距离近主流区一定范围内形成负雷诺应力区;当方柱近壁距离为2~3cm时,方柱后方近水槽边壁处形成正雷诺应力区。(2)淹没方柱(1)流场结构特征方柱近壁距离为0时,方柱后方形成一个较小的漩涡;方柱近壁距离为1cm时,方柱后方形成上下分布的两个漩涡;方柱近壁距离为2~3cm时,方柱后方形成一对平行的漩涡,且随着近壁距离的增大,两漩涡逐渐对称。(2)紊动强度分布特征方柱左侧及沿方柱左侧向下游延伸一段距离近主流区一定范围内紊动强度都较大,且随着方柱近壁距离的增加,紊动强度及范围逐渐增大。(3)雷诺应力分布特征方柱左侧形成正雷诺应力区,沿方柱左侧向下游延伸一段距离近主流区一定范围内形成负雷诺应力区;当方柱近壁距离为2~3cm时,方柱后方距水槽边壁一定距离处形成正雷诺应力区。Ⅱ.三方柱绕流试验:(1)正“品”字形三方柱绕流(1)流场结构特征间距比为1.2~1.4时,上游单方柱后方未产生漩涡,下游两方柱后方产生4个漩涡;间距比为1.6时,上游单方柱后方产生1个漩涡,下游两方柱后方产生3个漩涡;间距比为1.8~3.5时,上游单方柱后方产生1对漩涡,间距比为1.8~2.5时,下游两方柱后方产生2个漩涡,间距比为3.0~3.5时,下游两方柱后方漩涡消失。(2)紊动强度分布特征间距比为1.2~1.6时,上游单方柱后方及下游两方柱后方距两方柱一定距离处形成高紊动强度区,随着间距比的增加,上游单方柱后方紊动强度及范围变化规律不明显,下游两方柱后方距两方柱一定距离处紊动强度及范围逐渐减小,两方柱中间紊动强度及范围逐渐增大;间距比为1.8~3.5时,三方柱中间及下游两方柱后方形成高紊动强度区紊动强度及范围随间距比的增加逐渐增大。(3)雷诺应力分布特征间距比为1.2~1.6时,上游单方柱左、右两侧出现正、负雷诺应力区,雷诺应力及范围与间距比变化的关系不明显,间距比为1.6~3.5时,方柱左、右下角形成的正、负雷诺应力区雷诺应力及范围随间距比的增加逐渐增大;间距比为1.2~1.4时,下游两方柱后方距两方柱一定距离处形成正、负雷诺应力区,雷诺应力及范围随间距比的增加而有所减小,间距比为1.6~2.0时,两方柱间隙出口处形成1对正、负雷诺应力区,雷诺应力及范围随间距比的增加逐渐增大,间距比为2.5~3.5时,两方柱后方的正、负雷诺应力区雷诺应力及范围随间距比的增加逐渐增大,有构成2对极子的趋势。(4)拟涡能分布特征间距比为1.2~1.4时,上游单方柱周围未出现高拟涡能区域,间距比为1.6~3.0时,方柱后方出现高拟涡能区域,拟涡能随间距比的增加逐渐增大,间距比为3.5时,拟涡能有所减小;间距比为1.2~1.8时,下游两方柱两侧出现拟涡能较大的高拟涡能区域,两方柱的平均拟涡能随间距比的增加逐渐增大,间距比为1.8~3.5时,平均拟涡能随间距比的增加逐渐减小。正“品”字形三方柱高拟涡能区域的总拟涡能随间距比的变化存在较好的响应关系,拟合精度高达0.8477。(5)变形能分布特征间距比为1.2~1.6时,上游单方柱周围未出现高变形能区域,间距比为1.8~3.5时,方柱后方出现高变形能区域,变形能随间距比的增加逐渐增大;间距比为1.2~1.8时,下游两方柱两侧出现变形能较大的高变形能区域,两方柱的平均变形能随间距比的增加而逐渐增大,间距比为1.8~3.5时,平均变形能随间距比的增加逐渐减小。正“品”字形三方柱高变形能区域的总变形能随间距比的变化同样存在较好的响应关系,拟合精度高达0.9874。(2)倒“品”字形三方柱绕流(1)流场结构特征间距比为1.2~1.8时,上游两方柱后方未产生漩涡,间距比为2.0~2.5时,两方柱后方产生1~2个漩涡,间距比为3.0~3.5时,两方柱后方各产生1对漩涡;不同间距比情况下下游单方柱后方都产生1对较大的漩涡。(2)紊动强度分布特征间距比为1.2~1.6时,上游两方柱周围形成的高紊动强度区紊动强度及范围随间距比的增加逐渐增大,间距比为1.8~3.5时,两方柱周围高紊动强度区紊动强度及范围随间距比的增加逐渐减小;间距比为1.2~1.4时,下游单方柱后方形成高紊动强度区域,间距比为1.4~3.5时,随着间距比的增加,高紊动强度区逐渐下移,紊动强度及紊动范围逐渐减小。(3)雷诺应力分布特征间距比为1.2~1.6时,上游两方柱左、右两侧出现了较小的正、负雷诺应力区,雷诺应力及范围与间距比变化的关系不明显,间距比为1.8时,上游两方柱后方各自形成1个正、负雷诺应力区,间距比为2.0时,两方柱后方各自又形成1个与原雷诺应力区正负相对的正、负雷诺应力区,雷诺应力较小,间距比为2.5~3.5时,两方柱后方各形成1对较大的正、负雷诺应力区,有构成2对极子的趋势;间距比为1.2时,下游单方柱距方柱一定距离处形成较大的正、负雷诺应力区,随着间距比的增加,雷诺应力区逐渐上移,雷诺应力及范围逐渐减小,间距比为3.0~3.5时,该正、负雷诺应力区有形成1对极子的趋势。(4)拟涡能分布特征间距比为1.2~1.6时,上游两方柱左、右两侧出现高拟涡能区域,两方柱的平均拟涡能随间距比的增加逐渐减小,间距比为1.6~2.0时,平均拟涡能随间距比的增加逐渐增大,间距比为2.5~3.5时,两方柱左、右两侧及中间出现高拟涡能区域,平均拟涡能随间距比的增加先逐渐增大,然后有所减小;间距比为1.2~2.5时,下游单方柱周围未出现高拟涡能区域,间距比为3.0~3.5时,单方柱周围出现了拟涡能很小的高拟涡能区域。倒“品”字三方柱高拟涡能区域的总拟涡能随间距比的变化存在较好的响应关系,拟合精度高达0.905。(5)变形能分布特征间距比为1.2~1.8时,上游两方柱左、右两侧出现高变形能区域,两方柱的平均变形能随间距比的增加逐渐减小,间距比为2.0~3.0时,两方柱左、右两侧及中间都形成高变形能区域,平均变形能随间距比的增加逐渐增大,间距比为3.5时,平均变形能有所减小;间距比为1.2~3.5时,下游单方柱周围未出现高变形能区域。倒“品”字三方柱高变形能区域的总变形能随间距比的变化同样存在较好的响应关系,拟合精度高达0.8005。本文揭示了不同间距比情况下正“品”字与倒“品”字形三方柱水流绕流机制,具有较高的学术价值和工程应用意义。本文的创新性主要体现在研究内容上,在充分分析三方柱绕流流场结构、紊动强度、雷诺应力等特征变化的基础上,重点分析了拟涡能及变形能的分布及变化特征,在实践上具有重要的理论指导意义。