过渡流下顺排圆柱列流动特性的可视化实验
发布时间：2021-10-13 22:02
为研究过渡流下顺排圆柱列的流动规律,搭建了开式循环水槽。利用粒子图像测速（PIV）技术,在确定纵向间距（PT）及雷诺数（Re）的情况下,改变横向间距（Ps）,从而对顺排圆柱列的瞬时场及时均流场进行可视化实验研究。实验结果表明在Re=150,PT=2.5D,Ps=2D～6D的工况下,上游圆柱与下游圆柱间距直接影响圆柱列流场换热效果。当Ps在2D～3D之间,上游圆柱与下游圆柱之间流场为回流死区,该区间换热效果差;Ps由3D增加至4D时,上游圆柱与下游圆柱之间流场由稳态变为非稳态;Ps由4D增加至6D时,上游圆柱与下游圆柱之间流场区域的洗刷效应减弱,且Ps=4D时,该区域的周期性更加明显。
【文章来源】：机械设计与制造. 2020,(01)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
Re=150,Y/D=1.25下，不同横向间距下的速度比值分布
Re=150,Y/D=1.25下，不同横向间距下的速度比值分布，（其中将下游圆柱的中心点设为X/D=0,U0为来流速度，U为X方向上的速度分量），如图6所示。由图6结合图4，图5可知确定Re=150,PT=2.5D，当Ps=2D,3D，上游圆柱与下游圆柱之间流场的U/U0均小于0，由此可判断上游圆柱与下游圆柱之间流场主要以回流死区的形式存在，该区域的对流换热效果较差。当Ps=4D,5D,6D，上游圆柱与下游圆柱之间流场的（U/U0)min随着横向间距的增大而增大，说明在指定的横向间距下下游圆柱对上游圆柱尾流存在抑制作用。在距离下游圆柱中心为1D的前端截面上，比较Ps=4D,5D,6D下的速度相关量比值分布。如图7可知Ps=4D时，距离下游圆柱中心为1D的前端截面上的速度相关量对应的4个峰值明显比Ps=5D以及Ps=6D时大，且该截面上对应的峰值大小与横向间距呈负相关。在距离下游圆柱中心点X方向的前方1.5D处，选取检测点。左边为监测点Y方向速度随时间变化曲线，右边为对应的FFT变换后频谱图，如图8所示。由图8可知Re=150，当Ps=4D时，周期性性十分明显；当Ps=5D,6D时，该监测点的周期性较弱。结合图7不同横向间距下的瞬时涡量图可知当Ps=4D时，上游圆柱尾流所产生的正负涡在脱落之前经过下游圆柱且尾流被下游圆柱抑制但上游两圆柱相对无干扰，故在监测点位置区域并未被干扰。当Ps=5D时，上游圆柱尾流所产生的正负涡有种脱落的趋势，由于纵向间距不大而横向间距偏大，在正负涡稍扩散的情况下相互干扰，导致该监测点周期性相对于Ps=4D时明显减弱。当Ps=6D时，上游圆柱尾流所产生的正负涡开始脱落，并互相干扰导致监测点位置区域干扰性加强从而周期性减弱。由此可判断Ps=4D时，上游圆柱与下游圆柱之间流体存在正负涡且受到挤压，该处洗刷效应[12]加强，从而换热效果得以强化。图8 Re=150，不同横向间距下的监测点Y方向的速度-时间变化曲线及FFT变换后的频谱图
PIV系统是一种通过光学图像处理技术从而能在流场中多点测量粒子和流体的速度的可视化装置，主要由两大系统组成，即成像系统以及分析显示系统。设置激光脉冲同步器的相关参数可以控制激光脉冲的击打频率并适时捕捉所需粒子运动图像等数据。用图像获取器读取粒子运动图像并存储实验数据，由Insight 4G处理实验数据，并由Tecplot后处理显示粒子的运动规律及速度矢量图。PIV系统采集两帧图像并存储到不同文件，利用数据的互相关性处理实验数据，就可避免速度矢量图的无序性。在水槽中加入适量直径为14μm的镀银玻璃球，脉冲激光源打出平行于水槽底部的片光源，用CCD相机记录示踪粒子的运动轨迹。PIV实验台示意图，如图1所示。水流从水泵7抽出通过上行水管打到上水箱1，上水箱1中储蓄的水经过隔膜阀2的调控进入水槽的整流段3，整流段3中分布阻尼网，蜂窝器等对水流进行整流后进入收缩段4，收缩段4采用三次方曲线拟合，水流经过收缩段4后均匀稳定，实验段5位于收缩段4后，其中实验段5的尺寸为长3.6米，宽0.3米，水经由实验段5后进入下水箱6，然后再循环到水泵7的位置形成一个水循环体系，如图2所示。实验台实物图，如图3所示。4个直径均为10毫米的圆柱按顺排的方式排列制作顺排实验模型。将顺排模型放置实验段的中间位置，且顺排圆柱列的上游圆柱中心距来流入口处的间距为30D，实验在常温下进行。实验台的可靠性及稳定性已在文献[11]中论证。
本文编号：3435483
【文章来源】：机械设计与制造. 2020,(01)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
Re=150,Y/D=1.25下，不同横向间距下的速度比值分布
Re=150,Y/D=1.25下，不同横向间距下的速度比值分布，（其中将下游圆柱的中心点设为X/D=0,U0为来流速度，U为X方向上的速度分量），如图6所示。由图6结合图4，图5可知确定Re=150,PT=2.5D，当Ps=2D,3D，上游圆柱与下游圆柱之间流场的U/U0均小于0，由此可判断上游圆柱与下游圆柱之间流场主要以回流死区的形式存在，该区域的对流换热效果较差。当Ps=4D,5D,6D，上游圆柱与下游圆柱之间流场的（U/U0)min随着横向间距的增大而增大，说明在指定的横向间距下下游圆柱对上游圆柱尾流存在抑制作用。在距离下游圆柱中心为1D的前端截面上，比较Ps=4D,5D,6D下的速度相关量比值分布。如图7可知Ps=4D时，距离下游圆柱中心为1D的前端截面上的速度相关量对应的4个峰值明显比Ps=5D以及Ps=6D时大，且该截面上对应的峰值大小与横向间距呈负相关。在距离下游圆柱中心点X方向的前方1.5D处，选取检测点。左边为监测点Y方向速度随时间变化曲线，右边为对应的FFT变换后频谱图，如图8所示。由图8可知Re=150，当Ps=4D时，周期性性十分明显；当Ps=5D,6D时，该监测点的周期性较弱。结合图7不同横向间距下的瞬时涡量图可知当Ps=4D时，上游圆柱尾流所产生的正负涡在脱落之前经过下游圆柱且尾流被下游圆柱抑制但上游两圆柱相对无干扰，故在监测点位置区域并未被干扰。当Ps=5D时，上游圆柱尾流所产生的正负涡有种脱落的趋势，由于纵向间距不大而横向间距偏大，在正负涡稍扩散的情况下相互干扰，导致该监测点周期性相对于Ps=4D时明显减弱。当Ps=6D时，上游圆柱尾流所产生的正负涡开始脱落，并互相干扰导致监测点位置区域干扰性加强从而周期性减弱。由此可判断Ps=4D时，上游圆柱与下游圆柱之间流体存在正负涡且受到挤压，该处洗刷效应[12]加强，从而换热效果得以强化。图8 Re=150，不同横向间距下的监测点Y方向的速度-时间变化曲线及FFT变换后的频谱图
PIV系统是一种通过光学图像处理技术从而能在流场中多点测量粒子和流体的速度的可视化装置，主要由两大系统组成，即成像系统以及分析显示系统。设置激光脉冲同步器的相关参数可以控制激光脉冲的击打频率并适时捕捉所需粒子运动图像等数据。用图像获取器读取粒子运动图像并存储实验数据，由Insight 4G处理实验数据，并由Tecplot后处理显示粒子的运动规律及速度矢量图。PIV系统采集两帧图像并存储到不同文件，利用数据的互相关性处理实验数据，就可避免速度矢量图的无序性。在水槽中加入适量直径为14μm的镀银玻璃球，脉冲激光源打出平行于水槽底部的片光源，用CCD相机记录示踪粒子的运动轨迹。PIV实验台示意图，如图1所示。水流从水泵7抽出通过上行水管打到上水箱1，上水箱1中储蓄的水经过隔膜阀2的调控进入水槽的整流段3，整流段3中分布阻尼网，蜂窝器等对水流进行整流后进入收缩段4，收缩段4采用三次方曲线拟合，水流经过收缩段4后均匀稳定，实验段5位于收缩段4后，其中实验段5的尺寸为长3.6米，宽0.3米，水经由实验段5后进入下水箱6，然后再循环到水泵7的位置形成一个水循环体系，如图2所示。实验台实物图，如图3所示。4个直径均为10毫米的圆柱按顺排的方式排列制作顺排实验模型。将顺排模型放置实验段的中间位置，且顺排圆柱列的上游圆柱中心距来流入口处的间距为30D，实验在常温下进行。实验台的可靠性及稳定性已在文献[11]中论证。
本文编号：3435483
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