数字PIV技术在圆柱振荡流中的应用

　　长期以来,人们一直对圆柱体或非流线型物体在振荡流场中的流动特性具有很大兴趣。近年来,随着圆柱形结构的建筑物被广泛地应用于海洋钻探工程、热能工程等生产实践中,人们对振荡流通过固定柱体,或在静止流体中因柱体的振动而产生的流动特性更是特别关注。因为它将为弄清工程实践中的波柱或风柱效应,最终解决结构设计中的波浪和风荷载等问题,提供重要依据。

　　在对圆柱振荡流的研究中,早期的研究者侧重于对作用在柱体上的惯性力、阻(曳)力及升力的实验测定[1,2]。以后,基于流动可视化技术,人们发现圆柱振荡流可据其尾涡脱离的不同形态而分为不同流区[3],这种涡脱离模型与作用于柱体上的各种非稳定力的脉动状态密切相关,而这些流区又可完全通过Keulegan-carpenter(KC)数以及Stokes数β来确定。这里,KC和β的定义如下:

　　早期的实验研究通常是将不动的圆柱体插入U形管振荡流中,而近期的研究工作一般是将作谐振运动的柱体放入静止的流体中。流场可视化观察显示:在低KC数条件下,振动圆柱体后表面(下风位置)将有对称性的涡对产生;当4≤KC≤8时,随柱体的前、后振动,涡对将变为非对称并将脱离于圆柱体;在较高KC数,即8

　　1　测试原理及量测技术

　　PIV技术是采用流场可视化和摄影(相)的方法记录流场中粒子的位移并应用相关技术测量其位移,得出流场中瞬间速度矢量及涡量强度分布图。较早的PIV流场摄影都是采用基于感光胶片的湿处理方法,流场图像处理和分析周期长,无法进行流场实时量测。近年来,CCD(Charge-coupled Device)实时图像采集方式的广泛应用,已使数字化PIV(DPIV)技术日益成熟,复杂流场的PIV实时量测已成为可能。

　　本实验是将一直径为19 mm的长圆柱棒垂直悬挂于1 m×1 m×0.5 m(长×宽×水深)的水箱中,圆柱棒底部距水箱底面约5 mm。数控步进马达驱动该棒在静水中作水平正弦振动,其运动(振动)方程为:

式中,振幅A=36 mm,周期T =1.8 s,相应的KC=2πA/D。

　　在DPIV系统中,激光片光源由一台6 W功率的氢离子激光器和一组由棱镜和柱透镜构成的光路系统提供。激光片光源沿水箱中部水平面射入流场(见图1)。为获得满意的流动可视化信息,箱中水体均匀播撒了直径100,密度与水相近的球形示踪粒子。为了详细了解圆柱振动流场在每一振动周期内的变化过程,采用了相位锁定技术来获得每一相位的瞬间流动图像。具体做法是:首先将每一周期的流动过程分为8个相位,即分成t/T=0,1/8,2/8,…7/8共8个不同测量瞬间;采用轴编码器控制电路来同步控制激光片光源发射快门和CCD相机快门的启闭以及PIV数据采集板的采样时间;通过改变轴编码器发出的延时脉冲信号,最后分别获取圆柱振动周期中8个不同相位的PIV流场数据。