王宾 等
Figure 5. Transient flow field under different clearance ratio and Reynolds number 图5. 不同间隙比和雷诺数工况下的瞬时流场图
图5(b)与图5(a)是在同一间距下，增大雷诺数的瞬时流场图，将不同时刻下的流场进行比较得到，随着雷诺数的增大，旋涡的形成和脱落频率增大，涡波动的幅度也逐渐增大，旋涡对流场的影响也越远，在距离方柱3.5D的地方存在涡的扰动。
图5(c)与图5(a)是在同一雷诺数下，不同间距比的瞬时流场图，两组图片互相对比可以得到，随着间距比的增大，形成的旋涡在同一时刻下对流场的干扰扩大，流动幅度波动也较大，同时整个流场也受到影响，变得不均匀。
3.3. 下游方柱绕流时均流场分析
同间距，不同雷诺数的各工况下，从时均流场图6可以看出，由于流体速度的改变，方柱两边的压力大于方柱尾部的压力，形成了压差，随着雷诺数的增大，尾流区逐渐开始形成旋涡，产生的两个旋涡，旋转方向相反，大小大致相等。此后在尾流区末尾处两个旋涡将交汇于一点，然后向下游流动，并随着距离方柱越远，旋涡的干扰也逐步减小，尾流区后面部分的流线从弯曲逐渐趋于水平。对于同雷诺数，不同间距的工况下，随着间距的逐渐增大，尾流区也慢慢开始形成漩涡，特征一样。总体上我们可以观察到时均流场都是趋于对称结构的，不完全对称是由于实验采集的数据量不够导致。
图7是在临界间距G = 4.0时方柱侧面的时均流场图，可以看出随着雷诺数的增大，对方柱侧面的流场影响并不大，由于近壁拍摄效果不佳，所以根据采样的区域可以推算出，下游方柱在约0.7D的范围内有一定的影响，这与上述侧面的时均流速曲线相符合。
图8是各工况下时均流场中汇流点长度变化曲线图，h表示汇流点到方柱的距离。从图中可以观察出，串列方柱同雷诺数下，后方柱下游的尾流区长度随间距的增大而增大；而在同一间距的工况下，汇流点的长度会随雷诺数的增大而逐步减小。整体上流量的增大对回流区的长度影响较小，回流区长度都在约一倍D的距离波动。
DOI: 10.12677/met.2020.93026
249
机械工程与技术
王宾 等
Figure 6. Time-averaged flow fields of different Reynolds number and gap ratio downstream 图6. 不同雷诺数和间隙比下方柱下游的时均流场图
Figure 7. G = 4.0, Time-averaged flow field of the side column under different Reynolds numbers 图7. G = 4.0，不同雷诺数下方柱侧面的时均流场图
Figure 8. Relationship between length of confluence under different Reynolds numbers and different clearance ratios 图8. 不同间隙比、不同雷诺数下与汇流长度的关系
DOI: 10.12677/met.2020.93026
250
机械工程与技术
王宾 等
3.4. 瞬时流场与时均流场的比较
大雷诺数下，时均流场中的方柱会在下游逐渐形成两个大小相等，方向相反的旋涡，并且有一个较明显的汇流点，流场远处趋于水平，整个流场都处于比较对称的状态，而且能够较快得到流场的一个平均流速，找出与理论流速的误差。从图中可以看出时均曲线在距离方柱约2D的地方接近水平，大于2D时流场比较均匀，而在小于2D的范围内，流场受干扰严重。
对于瞬时流场，方柱下游的旋涡交替出现，不断向远处移动，流场随时间在不断地变化，每个位置的特性不同，却能最能反映出流场真实的非定常流动特性。但是瞬时流场中在距离方柱3.5D的范围内流场流动剧烈。两者流场各有优势，实际工程设计时，小于3.5D时要考虑上游柱体对下游的影响。
3.5. 不同间距比时旋涡脱落St与Re的关系
St在圆柱、方柱等钝体绕流研究领域中有着重要的作用，其表达公式为：St = fD/U0 (f表示涡脱落频率)。图9是在几种间隙比的工况下，Re分别为6.8 × 103、1.4 × 104、2.2 × 104、3.42 × 104时的St数。
(a) (b)
Figure 9. The relationship between Reynolds number and St of different clearance ratio 图9. 不同雷诺数、间距比与St的变化关系
从图9(a)可以看出，G=∞是表示单方柱的St曲线，St随Re的不断变化并接近于常值0.13；而串列方柱的下游方柱St是在0.11~0.16的范围内变化。雷诺数较小时，St波动规律不明显；随着雷诺数的逐渐增大，St慢慢减小并最终趋于稳定并接近常值约0.12，比单方柱的St略小。可以理解为串列方柱间的风速小于无穷远处的风速，所以后方柱的涡脱落频率相对于单方柱要小，则St比单方柱的略偏小。从图9(b)中我们可以得到，在同一雷诺数下，G ≤ 4.0时，St随间距的增大而缓慢增大；而G > 4.0时，St随间距的增大逐渐减小。
4. 结论
1) 通过PIV风洞试验，观察到大雷诺数下，上游方柱对下游方柱周围非定常流场的干扰特征，时均流场中在距离方柱小于2D时受影响较大，相比单方柱的流场更加剧烈，大于2D则干扰较小。而瞬时流场在小于约3.5D的范围内影响较大。在小于3.5D的条件下，流体机械或者建筑结构工程中不应忽略上游方柱的干扰。
2) G ≤ 4时，下游方柱的水平时均流速随间距的增大而减小；当G > 4时，时均流速特性与单方柱趋于一致。时均流速随着Re的增大也逐渐增大。
DOI: 10.12677/met.2020.93026
251
机械工程与技术
王宾 等
侧面时均流速在不同工况下大致相同，在时均流速曲线的拐角点上，由于串列方柱间的涡区影响，与单方柱有一定的区别。
3) 方柱下游回流区的长度随间距的增大逐渐增大，随雷诺数的增大而逐渐减小，整体上接近于方柱的特征长度。
4) 小于临界间距时，St随间距增大而缓慢增大；大于临界间距时，St随间距增大而逐渐减小。St随雷诺数增大介于0.11~0.16之间变化，最终接近于常值0.12，相对单方柱的St略小。
基金项目
流体及动力机械教育部重点实验室开放基金(NO. szjj2014-045)；四川省科技厅项目(NO. 2016JY0187)。
参考文献
[1] Lyn, D.A., Einav, S., Rodi, W., et al. (1995) A Laser-Doppler Velocimetry Study of Ensemble-Averaged Characteris-tics of the Turbulent Near Wake of a Square Cylinder. Journal of Fluid Mechanics, 304, 285-319. https://doi.org/10.1017/S0022112095004435 [2] Dur?o, D.F.G., Heitor, M.V. and Pereira J.C.F. (1988) Measurements of Turbulent and Periodic Flows around a Square
Cross-Section Cylinder. Experiments in Fluids, 6, 298-304. https://doi.org/10.1007/BF00538820 [3] 林纬, 喻九阳, 郑小涛, 聂思皓, 徐成. 脉动流方柱绕流特性研究[J]. 工程热物理学报, 2014(2): 338-341. [4] 张力, 李金生, 杨仲卿, 丁林. 方柱–弹性分隔板涡致振动数值研究[J]. 工程热物理学报, 2014(4): 687-690. [5] 刘志文, 吕建国, 刘小兵, 陈政清. 串列双幅断面颤振稳定性气动干扰试验研究[J]. 振动工程学报, 2016(3):
403-409. [6] Kim, K.C., Lee, M.B., Yoon, S.Y., et al. (2002) Phase Averaged Velocity Field in the Near Wake of a Square Cylinder
Obtained By a PIV Method. Journal of Visualization, 5, 29-36. https://doi.org/10.1007/BF03182600 [7] 施鎏鎏, 余俊, 万津津, 刘应征. 近壁方柱绕流非定常特性的TR-PIV测量[J]. 工程热物理学报, 2009(8): 1312-1314. [8] Bhattacharyya, S. and Maiti, D.K. (2006) Vortex Shedding Suppression for Laminar Flow Past a Square Cylinder Near
a Plane Wall: A Two-Dimensional Analysis. Acta Mechanica, 184, 15-31. https://doi.org/10.1007/s00707-005-0304-5 [9] 周云龙, 邓冬, 曹茹, 洪文鹏. 气液两相流并列双方柱绕流涡脱特性数值研究[J]. 中国电机工程学报, 2009(17):
88-96. [10] Sohankar, A. (2012) A Numerical Investigation of the Flow over a Pair of Identical Square Cylinders in a Tandem Ar-rangement. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 70, 1244-1257. https://doi.org/10.1002/fld.2739 [11] 陈素琴, 黄自萍, 沈剑华, 等．两串列绕流的干扰数值模拟研究[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2001, 29(3): 320-325. [12] 吴二七, 周岱, 付功义. 串列方形钝体构筑物绕流的数值分析[J]. 上海交通大学学报, 2012(1): 130-135+141. [13] 吕启兵, 杨斌, 杨忠超, 李鹏浩. 串列双方柱绕流的数值模拟[J]. 重庆交通大学学报, 2013, 32(5): 100-1013. [14] Liu, C.-H. and Chen, J.M. (2002) Observations of Hysteresis Inflow around Two Square Cylinders in a Tandem Ar-rangement. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 90, 1019-1050.
https://doi.org/10.1016/S0167-6105(02)00234-9 [15] 李雪健, 苏中地. 绕串列方柱流动的三维大涡仿真[J]. 计算机仿真, 2014, 31(6): 238-255.
DOI: 10.12677/met.2020.93026
252
机械工程与技术
大雷诺数下串列方柱的PIV试验研究 - 图文
