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圆柱绕流是流体力学领域的经典课题。圆柱几何结构的变化在工程应用上具有许多实际应用,例如开缝圆柱可作为涡流流量计的很适用的涡街发生器,以及可以作为脉动洒水器的核心组件。开缝圆柱绕流流场结构及其变化的物理机制尚未见很多的研究。
本文工作的核心内容是开缝修型对圆柱尾流流动结构变化的影响,以及对涡流溢放频率的调制作用。实验测量在厦门大学航空流体&PIV实验室的多功能实验平台中进行,该平台可以进行精密循环水槽实验和拖动式台车实验。实验内容包括定性流动显示和定量测量两部分,其中流动显示目的在于深入了解流动的物理机理;定量测量包括天平直接测力和近尾流流场的时序PIV测量。流动测量采用跟随性极好的聚酰胺示踪粒子,使用高频激光器和高速相机组合实现时序解析PIV(Time-Resolved PIV)测量。论文工作起点于标定测试设备和PIV系统。在不同来流速度下,对开缝圆柱绕流流场的特征进行了细致的PIV实验研究。随后利用高精度六分量测力天平直接测量开缝圆柱和基准圆柱的阻力。
通过对大量PIV实验数据进行较系统的处理分析,得到了开缝圆柱与基准圆柱绕流尾流流场的瞬时流态以及时均分布特征。通过时序分析尾流流场的瞬时流态以及对比开缝圆柱及基准圆柱绕流时均尾流场结果,揭示了开缝圆柱缝隙结构对其周围和尾流场的影响,展现了近尾流区旋涡周期性生成及其脱落的演化过程。测试结果还获取了开缝圆柱与基准圆柱在不同来流速度下尾迹中旋涡的脱落频率。
对天平测力试验结果的处理,得到了开缝圆柱与基准圆柱的阻力特性。比对开缝圆柱与基准圆柱的实验数据,可知缝隙结构增大了圆柱前后的压力差是开缝圆柱阻力高于基准圆柱的主要原因。