大振幅横向振荡柱体尾流的控制

金华斌，邵传平

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州310018)

大振幅横向振荡柱体尾流的控制

金华斌，邵传平

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州310018)

引用小窄条控制件对不同旋涡脱落模式进行尾流控制.在振幅比A/D=1.0，无量纲振荡频率feD/V∞=0.413，雷诺数为1 200条件下找到了2P旋涡脱落模式并对其进行控制；在振幅比为0.4，无量纲振荡频率0.21条件下找到了2S旋涡脱落模式并对其进行控制；在振幅比为1.5，无量纲振荡频率0.189条件下找到了P+S旋涡脱落模式并对其进行控制.烟线流动显示实验和热线测速.实验结果表明，单窄条对2S模式旋涡脱落的抑制作用不明显，对2P模式旋涡脱落抑制作用显著，双窄条对P+S模式旋涡脱落的抑制在一定位置下有显著控制效果.

小窄条控制件;旋涡脱落;振荡柱体

尾流又称为尾迹，是指运动物体后面或物体下游的紊乱旋涡流，在大多数情况下，流体以一定的速度流过振动柱体时，在柱体后面会形成规则的旋涡脱落，这种现象在现实生活中广泛存在，圆柱绕流更为常见，比如电线杆、火力发电厂的烟囱、高层建筑、电视塔、海水流作用下的输油管道、石油平台桩、江河中的桥墩等.在这种情况下，柱体两侧的压力随着旋涡的脱落产生周期性变化，从而产生交变载荷，引起柱体振动[1].振动不但会对物体的结构产生长期的疲劳损坏，而且当旋涡脱落的频率与物体的固有频率接近时还会产生共振，对物体造成巨大的破坏.除此以外，旋涡脱落还会加大阻力[2]及产生噪声等危害[3].涡致振动使柱体或柱体群造成破坏在现实生活中已有不少的先例，例如1940年11月美国塔科玛大桥的毁坏，以及1965年11月英国渡桥电厂冷却塔群的倒塌都是由于涡致振动造成的.因此，对振荡柱体尾流加以控制，从而消除或者减弱涡致振动对柱体影响具有重要的意义.

与定常流体绕静止圆柱不同，流向强迫振荡圆柱绕流的旋涡脱落频率和形态变化更加剧烈，对于振荡圆柱绕流的研究，前人已经做出了大量的研究，如Sarpkaya[4]和Williamson[5]等做出了详细的实验研究.Williamson[6]将横向振荡圆柱的旋涡脱落模式总结为2P，2S，P+S等(P代表一对旋涡脱落，S代表单个旋涡脱落).控制方法大致分为两类：一类是需要外加能量来驱动的主动控制；另一类是被动控制，此方法不需要外加能量来驱动，所以这种方法被广泛应用于实际生活中.

为了控制柱体尾流中的旋涡脱落以及减小阻力，发展出了一些控制方法，其基本思路是对边界层施加一些干扰，使其分离点的位置发生改变.主要的控制思路有以下几种：1)减小展向相关性[7]；2)控制背压和分离[8]；3)防止柱体两侧分离剪切层的相互作用[9]；4)整体模态控制[10].最常见的控制方法有三种：1)添加窄条控制件.窄条控制件的主要控制参数有控制件的宽度b/D和控制件的位置.2)对振荡柱体进行尾部喷射.3)添加隔离板.

强迫振荡柱体尾流旋涡脱落的抑制比涡激振动抑制更加困难.原则上讲只要将静止柱体旋涡脱落抑制住,使激发源消失则振动就不会被激发.但在强迫振荡下扰动源始终存在,强迫振动对旋涡脱落的产生及其脱落模式具有决定作用,此时一些控制旋涡脱落的方法还能否有效尚未可知.目前，还未见其他研究者对强迫振荡柱体尾流的抑制展开研究.本文通过风洞实验方法在横向振荡柱体下游的上方添加窄条控制件来观察探讨其在大振幅工况下不同涡脱落模式的控制效果.

1 实验平台布置

实验是在中国计量大学回流式风洞中进行，该风洞属于低速风洞，可提供速度为1～50 m/s、湍流度小于0.5 %的均匀来流，其实验段长度是2.0 m，风洞的壁面是由有机玻璃制成，横截面积是0.6 m×0.6 m，在风洞实验段的侧面有一个竖直长10 cm、宽6 cm的长方形的洞，用来放置振荡柱，实验所用到的振荡柱是由有机玻璃制成的，其直径是2.5 cm.振荡柱是固定在一个转动滑块连杆机构上，实验时通过调节电机的转速来调节振荡柱的振动频率.振荡圆柱沿着Y方向振动.如图1，单窄条控制时，窄条放在圆柱下游的上方，双窄条控制件时窄条放置在X轴两侧.

图1 模型与实验布置Figure 1 Model and experiment arrangement

试验中用DANTEC公司生产的恒温热线风速仪测量尾流速度脉动情况.热线风速仪的测量速度范围可达0.02～300 m/s,可测量波动频率达300 kHz，热线探头安放在圆柱下游7～10 cm处，沿着Y方向根据不同的旋涡脱落模式选取不同的测量点进行测量.本次实验的采样频率为256 Hz，采样时间是20 s，这样在每个测量点会测量5 120个数据，最后通过matlab程序对这些数据进行处理，得到每个点的功率频谱图.

横向振荡柱体尾流的显示用烟线法来实现，发烟装置由钨丝、变压器、电容器等构成.实验时，将冷冻过的甘油均匀地涂在钨丝上，然后电容在发生器控制下放电，钨丝在短时间内被加热，使钨丝上的甘油受热蒸发形成烟雾，因其跟随性良好，烟雾可以很好的显示出金属丝下游的流场.拍摄系统方面我们做了一定升级，用LED照明灯条与FASTCAM Mini UX50高速摄像机(每秒最高100 000帧)替换原先闪光灯与数字相机.由之前的一次操作只能拍摄一张图片改进为一次拍摄上千帧照片合成视频.不仅大大提高了拍摄成功率也能通过视频更好的观察振荡柱体尾流旋涡生成脱落的机理.

2 实验结果与分析

横向振荡柱体的尾流控制实验参数为：雷诺数为1 200，柱体振幅比A/D分别为0.4、1.0与1.5，振荡频率feD/V∞分别为0.21，0.431与0.189，窄条宽度分别为b/D=0.32、0.48、0.64，其中V∞为来流速度，D为圆柱直径，fe为柱体强迫振荡频率，A为振幅，ν为空气粘性系数；b为窄条宽度.研究了3种不同模式最有代表性工况下窄条控制件对横向振荡柱体尾流的控制效果.

2.1 窄条对旋涡脱落是2S模式尾流的控制

图2(a)为无控制时，可以清晰的看到振荡柱体后侧上下各有一个旋涡脱落，这就形成了卡门涡街.当引入控制杆后(窄条宽度为b/D=0.32)如图2(b)，上侧旋涡脱落得到了抑制，并没有出现明显的旋涡，而下侧的旋涡虽然有被影响，但是并不明显，旋涡脱落仍然存在；控制杆往后移，烟线结果显示上下两侧的旋涡脱落都在一定程度上得到了减弱，并没形成特别完整的旋涡；当我们将控制杆再往后移，控制杆对旋涡脱落的抑制作用不再那么显著，上下两侧都有明显的旋涡脱落.

图2 2S模式单杆控制尾流对比图Figure 2 2S mode wakes comparison chart with single controller

图3 均值频谱对比图Figure 3 Comparison of mean power spectra

图3是无控制和控制杆位于(X/D=0.4,Y/D=1.2)时均值频谱图，从均值上看，在该点加入控制杆后旋涡的能量虽然有减小，但是减小的幅度并不大.控制杆往上移动，旋涡的能量不但没有减小，反而有所增大,与烟线结果相似，对涡脱落无抑制作用.

2.2 窄条对旋涡脱落是2P模式尾流的控制

图4(a)是无控制状态下旋涡脱落的形态，图4(b)是控制杆位于(X/D=0.4,Y/D=0.8)时的旋涡脱落形态.无控制时，可以清晰的看到振荡柱体后上下两侧都有一对旋转方向相反的旋涡脱落.当引入控制杆后，上侧旋涡脱落得到了抑制，无明显的旋涡，而下侧的旋涡虽然有被影响，但是并不明显，旋涡脱落仍然存在；通过其他位置放置控制杆的烟线对比图发现，上下两侧的旋涡都有被打乱，并且旋涡远离尾流中心线的距离有相对一定的减小.

图4 2P模式单杆控制尾流对比图Figure 4 The 2P mode wakes comparison chart with single controller

图5为无控制和控制杆(b/D=0.48)位于(X/D=0.4,Y/D=0.8)时的均值频谱图，该点加入控制杆后峰值减小到原来的1/5，当控制杆在往上移动0.4D时，其峰值减小了一半以上，控制效果显著.

图5 均值频谱对比图Figure 5 Comparison of mean power spectra

2.3 窄条对漩涡脱落是P+S模式尾流的控制

考虑到P+S模式的振幅以及振频都比较大，带来的能量也就会越大，较宽的窄条其控制效果可能会比较明显.故选用的窄条宽度b/D=0.64，图6(a)时无控制状态时的烟线图，在尾流中心线上侧，有一个顺时针旋转的旋涡脱落，在尾流中心线下侧有一对旋转方向相反的旋涡脱落，从其形态来看，下侧旋涡的能量明显大于上侧旋涡的能量，但是这个随机的，有可能上下两侧的旋涡位置是相反的.图6(b)为双控制杆分别位于(X/D=1.6,Y1/D=1.6,Y2/D=-1.6)时的烟线图，从烟线实验的对比图可以看出来，双控制杆能对P+S模式的旋涡脱落有明显的影响，能将振荡柱体后面的旋涡打乱，从图片上来看，并没有明显的旋涡形成，通过对比P+S模式下其他工况下的烟线图发现双杆在有效控制区域时可抑制旋涡脱落.

图6 P+S模式双控制杆烟线对比图Figure 6 The P+S mode wakes comparison chart with two controllers

图7为P+S模式双杆控制的频谱分析图，其中图7(a)是无控制时均值频谱图，图7(b)为双杆控制杆位于(X/D=0.8,Y1/D=0.8,Y2/D=-0.8)时均值频谱图.加入控制杆后其功率谱峰值减少一半多，说明该模式下使用控制杆对涡脱落有控制效果.同流动显示结果比对可知：加入控制杆后，没有明显涡对生成.

图7 P+S模式双控制杆功率谱Figure 7 Power spectra of P+S mode with two controllers

3 结 语

不同的圆柱的振荡频率以及振荡幅度等因素下尾流涡脱落会出现2S，2P，P+S等模式.在2S模式下，使用宽度b/D=0.32的小窄条对尾流进行控制，从小窄条放置的位置的频谱图来看，其控制效果都不是太理想甚至有增大扰动的负面效果；在2P模式下，同样采用了宽度b/D=0.32的小窄条，同样也从小窄条放置的不同位置进行了频谱分析对比，从频谱分析对比来看，窄条对该模式的旋涡脱落有一定的抑制作用且控制效果在3种不同模式中最好.在P+S模式下，我们采用了两根宽度b/D=0.64的窄条，这主要是考虑振频和振幅比较大的原因，从烟线流动显示实验来看其控制效果还是很明显的，涡生成过程被干扰，没有形成明显的对涡.热线频谱对比图也有类似结果，控制杆放置于特定位置有显著的控制效果.

[1] WILLIAMSON C H K, GOVARDHAN R.Vortex-induced vibration[J]. Annual Review of Fluid Mechanics,2004,36:413-455.

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[3] YOU D, CHOI H, CHOI M R, et al. Control of flow induced noise behind a circular cylinder using splitter plates[J]. AIAA Journal,1998,36(11):1961-1967.

[4] SARPKAYA T. Vortex-induced oscillations: a selective review[J]. Journal of Applied Mechanics,1979,46(2):241-258.

[5] WILLIAMSON C H K, GOVARDHAN R. Vortex-induced vibrations[J]. Annual Review of Flurd Mechanics,2004,36:413-455.

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[8] ROSHKO A. Perspectives on bluff body aerodynamics[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1993,49(1-3):79-100.

[9] DOOLAN C J. Flat plate interaction with the near wake of a square cylinder[J]. AIAA Journal,2009,47(2):475-479.

[10] SCHUMM M, BERGER E, MONKEWITZ P. Self-excited oscillations in the wake of two-dimensional bluff bodies and their control[J]. Journal of Fluid Mechanics,1994,271:17-53.

Suppression of the wakes downstream of a transversely oscillating cylinder with largeamplitude

JIN Huabin, SHAO Chuanping

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A small strip was used to control wake vortices in different vortex shedding modes. The 2P vortex shedding mode was amplitude ratioA/D=1.0, non-dimensional oscillation frequenciesfeD/V∞=0.413, and Reynolds number 1 200. The 2S vortex shedding mode was amplitude ratio=0.4, non-dimensional oscillation frequencies of 0.21, and was controlled by a stationary narrow strip.The P+S vortex shedding mode was amplitude ratio=1.5, non-dimensional oscillation frequencies=0.189, and was controlled by a stationary narrow strip. The results of flow visualization and velocity fluctuation measurement show that single narrow strip has no effect on inhibiting 2S mode vortex shedding but has significant inhibitory effect on 2P mode vortex shedding. Similarly, the suppression of vortex shedding in the P+S mode is significantly controlled by the double strips in a certain position.

small strip controls; vortex shedding; oscillating cylinder

2096-2835(2016)04-0377-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.004

2016-10-24 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

O357.5

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