间隙比对靠近肋壁的圆柱体流动特性的影响

《Ocean Engineering》：Influences of the gap ratio on the flow characteristics of a circular cylinder in proximity to the rib wall

本研究通过粒子图像测速实验探究了圆筒置于带有周期性排列肋的墙附近的流动特性。雷诺数3000下，分析了间隙比G/D（0.5-2.0）和肋间距比w/k（3-7）对涡旋脱落、斯特劳哈尔数及湍流应力的影响，发现G/D降低至0.5时斯特劳哈尔数减小，而w/k增大时近壁圆筒平均回旋区面积增加，涡旋结构演化与边界层条件密切相关。

　　本研究通过粒子图像测速（PIV）实验方法，对放置在具有周期性排列肋条的壁面附近的圆柱体的流动特性进行了系统分析。实验在雷诺数为3000的条件下进行，针对不同的间隙比（G/D）和间距比（w/k）进行了对比研究。间隙比指的是圆柱体下方与壁面之间的距离与圆柱体直径的比值，而间距比则表示相邻肋条之间的距离与肋条高度的比值。实验选取了五种间隙比：0.5、0.75、1.0、1.5和2.0，以及三种间距比：3、5和7。通过这些参数的变化，研究者观察到了圆柱体尾流特性和涡旋演变过程的显著差异，这些发现对于理解在复杂壁面环境下的流体动力学行为具有重要意义。

圆柱体在壁面附近的流动特性通常在工程应用中广泛存在，例如海底光缆、海底输油管道以及沙漠中的输油管道等。当圆柱体靠近壁面时，壁面的存在会显著改变其涡旋脱落行为，进而影响管道的涡激振动（VIV）。此外，涡旋脱落还可能与壁面产生相互作用，从而对砂蚀等现象产生影响。因此，深入研究圆柱体在壁面附近的流动特性，不仅有助于提高对海底管道流动行为的理解，还对开发有效的振动控制策略具有潜在价值。

在实验中，研究人员发现，当间隙比G/D从2.0减小到0.5时，圆柱体附近的回流区域面积呈现出逐渐增加的趋势。同时，在G/D为0.5和0.75的情况下，随着间距比w/k从3增加到7，回流区域的面积也相应扩大。这表明，G/D和w/k这两个参数对圆柱体尾流区域的形成和演变具有重要影响。此外，斯特劳哈尔数（St）在G/D减小到0.5时出现下降，而在w/k增加时，St的变化相对较小。斯特劳哈尔数是衡量涡旋脱落频率的重要指标，其值的改变直接影响到圆柱体的振动行为和流体动力学特性。

研究还详细分析了在w/k为3和7时，圆柱体涡旋结构的演变过程。在w/k为3的情况下，当G/D从2.0减小到0.5时，圆柱体尾流中的交替涡旋脱落现象被抑制，而下部涡旋的形成则受到更显著的影响。具体而言，当G/D为2.0时，圆柱体的剪切层分离是由下部涡旋引起的，一些次级涡旋会在剪切层中产生，并主要分布在圆柱体周围的空腔中。随着G/D的减小，下部涡旋的分离逐渐被抑制，而次级涡旋则沿肋条表面向下游发展。当G/D进一步减小到0.5时，次级涡旋主要集中在圆柱体下方的空腔区域，该区域的范围大致为x/D在1到2之间，其中x是圆柱体与壁面之间的横向距离。

相比之下，在w/k为7的情况下，当G/D为2.0和1.0时，涡旋结构的演变与w/k为3的情况相似，但壁面剪切层的分离更加明显。这种现象表明，随着间距比的增加，壁面的扰动作用增强，从而对涡旋的形成和脱落产生更显著的影响。此外，实验还发现，当G/D减小到0.5时，雷诺应力和湍流动能均有所下降，但总湍流动能随着w/k的增加而略有减少。这说明，不同参数的组合对流体的湍流强度和能量分布具有不同的调控作用。

研究人员还指出，壁面粗糙度对圆柱体尾流特性的影响不容忽视。在实际工程应用中，例如海底输油管道和光缆，由于海底表面的不规则性和粗糙性，圆柱体通常被放置在粗糙壁面上。与光滑壁面相比，粗糙壁面的存在会改变流体的流动模式，进而影响涡旋的形成、脱落和演变过程。因此，有必要对圆柱体在粗糙壁面附近的流动机制进行深入研究。研究中提到的壁面粗糙度类型包括横向肋条、锯齿障碍物、三角形肋条、波浪壁面、交错排列的立方体以及多孔介质等。其中，横向肋条因其在增强流体混合、动量传递和热交换方面的显著效果，被广泛应用于工程实践。

在实验中，研究人员通过PIV技术详细观察了圆柱体在不同参数条件下的流动行为。他们发现，当w/k小于3至4时，流体呈现出d型粗糙流动特征，即流体直接流过肋条顶部，且每个肋条上方的剪切层会延伸到下一个肋条的区域。这种流动模式下，剪切层会形成卷曲结构，从而在每个空腔中产生回流区域。回流区域的大小和分布受到多种因素的影响，包括间隙比、间距比以及壁面粗糙度的类型。此外，流体在空腔内部的流动对外部流动的影响较小，但与准顺流涡旋的运动密切相关。

当w/k大于3至4时，流体则表现出k型粗糙流动特征。此时，流体在肋条顶部发生强烈的分离，剪切层会在下游重新附着，形成更大的回流区域。这种流动模式下，空腔内部的流体交换作用增强，涡旋的形成和脱落过程也更加复杂。研究人员还发现，当w/k超过7时，回流区域的强度和大小趋于稳定，表明在某些参数范围内，流体的流动行为不再随w/k的增加而显著变化。

通过实验数据的对比分析，研究人员还发现，间隙比和间距比对圆柱体尾流特性和涡旋演变的影响存在一定的差异。例如，在G/D为0.5和0.75的情况下，随着w/k的增加，回流区域的面积也随之扩大。而在G/D为1.0的情况下，虽然回流区域的面积也随w/k的增加而变化，但其影响相对较小。这表明，间隙比和间距比在调控涡旋行为方面具有不同的作用机制。

此外，研究人员还对不同壁面粗糙度条件下圆柱体的流动行为进行了对比研究。他们发现，当圆柱体放置在光滑壁面上时，其尾流特性与放置在粗糙壁面上时存在显著差异。例如，在光滑壁面上，涡旋的脱落更加规律，而在粗糙壁面上，涡旋的形成和脱落过程受到更多的干扰。这种差异可能与壁面粗糙度对流体流动的扰动作用有关。

研究中还提到了不同实验条件下的流动行为。例如，在较低的雷诺数（如Re=1072）下，当G/D从3减小到0.5时，斯特劳哈尔数（St）呈现上升趋势，且交替涡旋脱落被显著抑制。而在较高的雷诺数（如Re=12000）下，G/D对St的影响较小，说明在不同的雷诺数条件下，壁面粗糙度对涡旋行为的调控作用存在差异。

综上所述，本研究通过实验手段，系统分析了圆柱体在具有周期性排列肋条的壁面附近的流动特性。研究结果表明，间隙比和间距比对涡旋的形成、脱落和演变具有重要影响，而壁面粗糙度的存在则进一步增加了流动行为的复杂性。这些发现不仅有助于加深对海底管道流动机制的理解，还为优化管道设计和控制涡激振动提供了理论依据。