间隙比和雷诺数对近壁圆柱绕流湍流结构特性影响的实验研究

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近壁面圆柱绕流现象在自然界和工程应用中广泛存在,研究其在不同工况下流场的湍流特性对实际的工程应用有一定的参考价值。本文采用放置在层流边界层上的近壁圆柱绕流为研究对象,使用2D-2C PIV技术进行实验,通过本征正交分解(POD)方法重构流场,使用(84)涡识别方法捕捉流场中的涡结构,研究了不同间隙比和不同雷诺数对近壁面圆柱绕流的影响。主要结论如下:(1)研究了间隙比对近壁面圆柱绕流湍流特性和涡结构演化规律的影响,开展了间隙比?=0.5~1.5,基于圆柱直径的雷诺数0)=1500的PIV实验研究。?=0.5时,间隙流向上偏离壁面,壁面附近形成两个分离泡,下剪切层会周期性地对壁面剪切层产生诱导作用,加速了平板边界层的失稳卷曲,形成二次涡结构,并偏离壁面向上对流,最终会与上尾涡发生涡合并现象。?=1时,形成的二次涡结构会在下尾涡的诱导下向上抬升,与下尾涡发生直接相互作用。?=1.5时下尾涡的诱导作用减弱,圆柱上、下尾涡与二次涡几乎平行于壁面向下游对流。同时发现在?=1.5时,存在“剪切屏蔽(shear sheltering)”的现象,减弱了圆柱尾涡对二次涡的影响。通过概率密度函数的分布发现,大尺度涡结构出现的概率随着间隙比的增加而增加。(2)研究了雷诺数对近壁面圆柱绕流湍流特性和涡结构演化规律的影响,开展了间隙比?=0.5,1,1.5时雷诺数Re=1500~5540的PIV实验研究。?=0.5时,在Re=1500下壁面附近生成一大一小两个分离泡,随着雷诺数增大,小分离泡首先消失,大分离泡的尺寸逐渐减小;并存在临界雷诺数区域Re=3000~3200,当雷诺数小于临界雷诺数区域时,圆柱前方壁面会形成一个小的分离泡,阻碍了上游流体通过间隙的流量,使间隙流的强度减小,导致间隙流的偏转。随着雷诺数的增加,大尺度结构出现的概率变高,雷诺应力和湍动能在高雷诺数时具有更大的脉动范围。雷诺数对近壁面圆柱绕流的涡结构演化特性有明显的影响。?=0.5时,随着雷诺数大于临界雷诺数区域时,圆柱上、下尾涡尺度增大,间隙流增强,偏转减小,壁面边界层卷曲形成的二次涡结构无法与上尾涡发生涡合并现象,二次涡直接与下尾涡相互作用,两个旋转方向相反的涡结构加速二者的耗散;?=1,1.5时,随着雷诺数的增大,二次涡的含能逐渐减小。
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