流体力学圆柱扰流的流动稳定性分析Word格式文档下载.docx

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圆柱扰流的流动稳定性分析

摘要

本实验研究的对象为单一圆柱尾流，再以流体动量干扰此尾流场。

在本实验中流体动量激扰圆柱尾流区的方式，包括有:

未注入动量、稳定喷出动量、往复喷吸动量及稳定吸入动量之圆柱后尾流流场分析。

本实验探讨分析在不同雷诺数（Re=800-4000）下之喷吸方式对流体于圆柱尾流的频率效应、振幅效应及不同喷入动量方式对尾流场的影响，以产生建设性或破坏性干涉，达到控制圆柱后尾流流场。

在此将藉由实验所得之结果，深入探讨流体对尾流的影响，大致包括涡漩结构的大小、速度分布快慢、紊流强度及主要频率呈现的变化，与判断在不同喷吸频率下与其流场产生的特征频率，以及给定以不同喷吸动量之大小方式分析圆柱尾流涡漩及剥离过程对流场造成之影响，并对其尾流流场结构进行可视化分析及影像边缘化，以此探讨流体喷入或吸入对圆柱尾流的影响。

关键词：

单一圆柱、涡漩剥离、流场控制、稳定喷出或吸入喷流、往复振荡喷流

ExperimentalStudyoftheWakebehindaCircularCylinderunderExcitation

Abstract

Thisexperimentistoinvestigatetheeffectsoffluidwithandwithoutmassinjectionthroughaslitonthevortexsheddingfromasinglecylinder.WeresearchReynoldsNumbersonrangesfrom800to4000.Weusedfourkindsofwayswhichcontainnomassinjection,steadyblowing,steadysuctionandoscillatoryjettostudyofthewakebehindacircularcylinderunderexcitationinthisexperiment.Nomassinjectionismeasuredforthesakeofitsreliabilityandcomparabilityofexperiment.Steadyblowingandsuctionareappliedtoinfluencethewakeflow.Anoscillatoryjetisusedtoinfluencethewakeflowwithvaryingfrequenciesandamplitudes.Theexperimentlooksforwardtousetheresultsofthisexperimentsoastoresearchintotheeffectsonthewakeflow,includingthevelocityvaluesoffluctuationandturbulenceintensityofthevorticesstructure,thedominantfrequencyintheflowpatternonasinglecylinder.Themainparametersinthestudyarethefrequency,momentumandthelocationoftheblowingandsuctionjet,whichareasteadyjetorunsteadyoscillatoryjet.Flowvisualizationhasbeencarriedouttoinvestigatetheinteractionofsteadyorunsteadyfluidperturbationandthevortexsheddingofacylinder.

Keywords:

asinglecylinder、vortexshedding、flowcontrol、steadyblowingorsuctionjet、oscillatoryjet

图目录

图1-1流体流经圆柱所产生的分离现象及尾流涡流

图1-2无因次参数StrouhalNumber和ReynoldsNumber之关系于单一圆柱后尾流之探讨

图1-3各种雷诺数值下之圆柱尾流型态

图2-1水循环系统设备整体图图2-2测试段的3-D模型图图2-3测试段

图2-4往复式喷出/吸入运动机构

图2-5往复式动量喷出/吸入设备流程

图2-6流场可视化设备流程

图2-7影像量测设备流程

图2-8热膜测速仪探针（Hot-Filmprobe）流场量测分析流程图2-9热膜测速仪探针（Hot-Filmprobe）校正曲线图

图3-1在Re=800之未注动量圆柱尾流流场观测，其中Uup=0.0402m/s,T=2.35sec,D=20mm,水温30℃

图3-2在Re=1600之未注动量圆柱尾流流场观测，其中Uup=0.0804m/s,T=1.19sec,D=20mm,水温30℃

图3-3在Re=2400之未注动量圆柱尾流流场观测，其中Uup=0.1210m/s,T=0.79sec,D=20mm,水温30℃

图3-4在Re=3200之未注动量圆柱尾流流场观测，其中Uup=0.1611m/s,T=0.60sec,D=20mm,水温30℃

图3-5在Re=800之未注动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-6在Re=1600之未注动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-7在Re=2400之未注动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-8在Re=3200之未注动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-9在Re=800下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布图3-10在Re=1600下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-11在Re=2400下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-12在Re=3200下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-13在Re=800下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-14在Re=1600下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-15在Re=2400下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-16在Re=3200下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-17在Re=800之稳定动量注入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=4.97,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-18在Re=800之稳定动量注入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=9.95,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-19在Re=1600之稳定动量注入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=2.49,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-20在Re=1600之稳定动量注入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=4.98,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-21在Re=2400之稳定动量注入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=1.65,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-22在Re=2400之稳定动量注入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=3.31,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-23在Re=3200之稳定动量注入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=1.24,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-24在Re=3200之稳定动量注入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=2.48,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-25在Re=800,fos=0.3HZ之往复动量圆柱尾流流场观测，其中Usilt/Uup=4.97,水温30℃

图3-26在Re=1600,fos=0.3HZ之往复动量圆柱尾流流场观测，其中Usilt/Uup=2.49,水温30℃

图3-27在Re=2400,fos=0.3HZ之往复动量圆柱尾流流场观测，其中Usilt/Uup=1.65,水温30℃

图3-28在Re=3200,fos=0.3HZ之往复动量圆柱尾流流场观测，其中Usilt/Uup=1.24,水温30℃

图3-29在Re=800,fos=0.5HZ之往复动量圆柱尾流流场观测，其中Usilt/Uup=4.97,水温30℃

图3-30在Re=1600,fos=0.5HZ之往复动量圆柱尾流流场观测，其中Usilt/Uup=2.49,水温30℃

图3-31在Re=2400,fos=0.5HZ之往复动量圆柱尾流流场观测，其中Usilt/Uup=1.65,水温30℃

图3-32在Re=3200,fos=0.5HZ之往复动量圆柱尾流流场观测，其中Usilt/Uup=1.25,水温30℃

图3-33在Re=800下往复动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-34在Re=1600下往复动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-35在Re=2400下往复动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-36在Re=3200下稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-37在Re=800下往复动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-38在Re=1600下往复动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-39在Re=2400下往复动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-40在Re=3200下往复动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-41在Re=800,fos=0.3HZ之往复动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Usilt/Uup=4.97,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-42在Re=1600,fos=0.3HZ之往复动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Usilt/Uup=2.49,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-43在Re=2400,fos=0.3HZ之往复动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Usilt/Uup=1.65,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-44在Re=3200,fos=0.3HZ之往复动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Usilt/Uup=1.24,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-45在Re=800,fos=0.5HZ之往复动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Usilt/Uup=4.97,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-46在Re=1600,fos=0.5HZ之往复动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Usilt/Uup=2.49,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-47在Re=2400,fos=0.5HZ之往复动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Usilt/Uup=1.65,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-48在Re=3200,fos=0.5HZ之往复动量圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Usilt/Uup=1.24,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-49在Re=800下稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-50在Re=1600下稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-51在Re=2400下稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-52在Re=3200下稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度分布

图3-53在Re=800下稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-54在Re=1600下稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-55在Re=2400下稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-56在Re=3200下稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之紊流强度分布

图3-57在Re=800之稳定动量吸入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=-4.97,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-58在Re=800之稳定动量吸入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=-9.95,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-59在Re=1600之稳定动量吸入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=-2.49,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-60在Re=1600之稳定动量吸入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=-4.98,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-61在Re=2400之稳定动量吸入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=-1.65,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-62在Re=2400之稳定动量吸入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=-3.31,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-63在Re=3200之稳定动量吸入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=-1.24,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-64在Re=3200之稳定动量吸入圆柱尾流流场影像及涡漩剥离频谱图分析，其中Uj/Uup=-2.48,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-65在Re=800之未注动量与稳定动量注入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uup=0.0402m/s,（a）NoMomentumInjection,（b）InjectionUj/Uup=4.97,（c）InjectionUj/Uup=9.95

图3-66在Re=1600之未注动量与稳定动量注入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uup=0.0804m/s,（a）NoMomentumInjection,（b）InjectionUj/Uup=2.49,（c）InjectionUj/Uup=4.98

图3-67在Re=2400之未注动量与稳定动量注入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uup=0.1210m/s,（a）NoMomentumInjection,（b）InjectionUj/Uup=1.65,（c）InjectionUj/Uup=3.31

图3-68在Re=3200之未注动量与稳定动量注入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uup=0.1611m/s,（a）NoMomentumInjection,（b）InjectionUj/Uup=1.24,（c）InjectionUj/Uup=2.48

图3-69在Re=800之未注动量与往复动量注入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uslit/Uup=4.97,（a）NoMomentumInjection,（b）fos=0.3HZ,（c）fos=0.5HZ

图3-70在Re=1600之未注动量与往复动量注入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uslit/Uup=2.49,（a）NoMomentumInjection,（b）fos=0.3HZ,（c）fos=0.5HZ

图3-71在Re=2400之未注动量与往复动量注入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uslit/Uup=2.49,（a）NoMomentumInjection,（b）fos=0.3HZ,（c）fos=0.5HZ

图3-72在Re=3200之未注动量与往复动量注入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uslit/Uup=1.24,（a）NoMomentumInjection,（b）fos=0.3HZ,（c）fos=0.5HZ

图3-73在Re=800之未注动量与稳定动量吸入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uup=0.0402m/s,（a）NoMomentumInjection,（b）SuctionUj/Uup=-4.97,（c）SuctionUj/Uup=-9.95

图3-74在Re=1600之未注动量与稳定动量吸入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uup=0.0804m/s,（a）NoMomentumInjection,（b）SuctionUj/Uup=-2.49,（c）SuctionUj/Uup=-4.98

图3-75在Re=2400之未注动量与稳定动量吸入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uup=0.1210m/s,（a）NoMomentumInjection,（b）SuctionUj/Uup=-1.65,（c）SuctionUj/Uup=-3.31

图3-76在Re=3200之未注动量与稳定动量吸入圆柱尾流流场观测之比较，其中Uup=0.1611m/s,（a）NoMomentumInjection,（b）SuctionUj/Uup=-1.24,（c）SuctionUj/Uup=-2.48

图3-77在不同Re下，稳定动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之比较:

（a）速度分布,（b）紊流强度分布

图3-78在不同Re下，往复动量注入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之比较:

图3-79在不同Re下，稳定动量吸入圆柱尾流流场于垂直方向速度扰动之比较:

图3-80在不同Re下，随着不同稳定动量注入于圆柱尾流流场涡漩剥离频谱图分析之比较:

（a）Re=800,（b）Re=1600,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-81在不同Re下，随着不同稳定动量注入于圆柱尾流流场涡漩剥离频谱图分析之比较:

（c）Re=2400,（d）Re=3200,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=1.0

图3-82在不同Re下，随着不同fos往复动量注入于圆柱尾流流场涡漩剥离频谱图分析之比较比较:

图3-83在不同Re下，随着不同fos往复动量注入于圆柱尾流流场涡漩剥离频谱图分析之比较比较:

图3-84在不同Re下，随着不同稳定动量吸入于圆柱尾流流场涡漩剥离频谱图分析之比较:

图3-85在不同Re下，随着不同稳定动量吸入于圆柱尾流流场涡漩剥离频谱图分析之比较:

（c）Re=2400,（d）Re=3200,Hot-FilmprobelocatedatX/D=3.5,Y/D=