通过粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）测量了在均匀流中放置有单轴通孔的颗粒所产生的尾流

《Powder Technology》：Particle image velocimetry measurement of the wake of a particle with a uniaxial through-hole placed in a uniform flow

被动流动控制中的穿心孔粒子尾流特性研究。通过粒子图像测速（PIV）方法，分析不同孔径比（γ=0至0.59）下带穿心孔圆柱体的尾流结构，发现孔径增大时反向流动区域减小，通风流与分离剪切层相互作用形成复杂涡结构，显著改变尾流动力学特性，为被动流动控制提供新机制。 流体力学|尾流控制|穿心孔|粒子图像测速|涡结构|阻力减少|被动流动控制|剪切层相互作用|流场改性

　　本研究探讨了在流体流动中放置物体或物体在流体中移动时所形成的尾流，尤其是通过引入中心轴向贯穿孔对尾流结构的影响。尾流在流体力学中扮演着重要角色，它不仅影响物体的阻力，还可能引发振动和噪声。过去的研究主要集中在简单几何形状，如圆柱体和方柱体的尾流行为上，而对通过贯穿孔进行几何修改的物体研究较少。本研究通过使用三维粒子，其具备单轴贯穿孔，产生对称的喷流，从而与尾流发生不同的相互作用，为研究几何修改对尾流控制提供了新的视角。

在实验中，粒子直径固定为25.4毫米，贯穿孔直径从0毫米（即实心粒子）变化到15毫米，对应的最大直径比为0.59。实验在均匀流中进行，流速设定为3.6米/秒，对应的雷诺数约为6000。通过粒子图像测速（PIV）技术，研究人员测量了粒子尾流区域的流场，分析了贯穿孔直径比对尾流结构的影响。研究结果表明，随着贯穿孔直径比的增加，从贯穿孔喷出的喷流强度也随之增强，并且在直径比达到0.24和0.35时，喷流速度超过了主流速度。同时，粒子后方的逆流区域随着直径比的增加而缩小，这导致了由分离剪切层与喷流相互作用形成的独特的涡旋结构。

对于较小的直径比，粒子表面的分离剪切层会产生一对涡旋，而贯穿孔喷流也会在两侧形成另一对涡旋。然而，随着直径比的增加，分离剪切层产生的涡旋尺寸减小，而贯穿孔喷流产生的涡旋则向下游延伸。当直径比达到0.59时，仅剩下靠近粒子表面的剪切层涡旋，而喷流涡旋几乎消失。这种变化表明，贯穿孔的引入对尾流结构有显著影响，它能够改变剪切层的行为，并且通过喷流的相互作用来减少逆流区域的大小。

本研究还比较了PIV测量结果与之前的实验和数值模拟数据。例如，Ozgoren等人的研究在雷诺数为5000的情况下，发现粒子后方的鞍点位置接近1.65d。而本研究在直径比为0.59时，发现鞍点位置与之前的研究一致，表明实验方法的可靠性。此外，通过分析PIV数据，研究人员还评估了速度缺陷的大小，即粒子后方流速低于主流流速的区域。随着直径比的增加，速度缺陷区域逐渐缩小，最终在直径比为0.59时几乎完全消失。

研究还关注了剪切层涡旋和喷流涡旋的相互作用。当直径比较小时，喷流涡旋与剪切层涡旋之间存在明显的分离，而随着直径比的增加，喷流涡旋逐渐覆盖了剪切层涡旋区域，导致涡旋结构的改变。这种现象在流体力学中具有重要意义，因为剪切层涡旋和喷流涡旋的相互作用不仅影响尾流的稳定性，还可能对流体动力学特性产生深远影响。

研究还发现，随着直径比的增加，尾流的斯特劳哈尔数（Strouhal number）也随之变化。斯特劳哈尔数用于描述周期性涡旋的频率特性，其变化表明喷流与剪切层之间的相互作用对涡旋频率产生了影响。此外，研究还指出，当直径比达到0.59时，喷流主导了尾流区域，几乎完全消除了速度缺陷，表明通过几何修改可以有效控制尾流结构。

在流体力学领域，尾流的控制对于减少阻力、降低振动和噪声具有重要意义。本研究的结果表明，通过在粒子上引入贯穿孔，可以显著改变尾流的行为。这种几何修改不仅能够增强喷流的强度，还能够改变剪切层的分离特性，从而影响涡旋的形成和分布。此外，研究还揭示了喷流与剪切层之间复杂的相互作用机制，这对于未来在工程设计中应用几何修改进行流体控制具有重要指导意义。

本研究的实验设置和测量方法具有一定的代表性。风洞实验中，粒子被固定在测试区下游125毫米处，贯穿孔与主流方向保持平行。通过使用高分辨率的激光系统和高速摄像机，研究人员能够精确捕捉粒子尾流区域的流场信息。此外，研究还采用了种子粒子（如Dioctyl sebacate液滴）来增强PIV测量的准确性，并确保数据的可靠性。

通过PIV测量和数据分析，研究人员能够清晰地展示不同直径比下尾流的演变过程。在直径比为0.12时，喷流对尾流的影响较小，主要体现在逆流区域的轻微变化上。而在直径比为0.24和0.35时，喷流的增强使得尾流结构发生了显著变化，包括逆流区域的收缩和涡旋的重新分布。当直径比进一步增加到0.47时，喷流对尾流的影响更加明显，逆流区域几乎消失。而在直径比为0.59时，喷流几乎完全主导了尾流区域，使得尾流结构趋于均匀。

本研究的结果不仅丰富了对流体与物体相互作用的理解，还为流体控制技术的发展提供了新的思路。通过引入贯穿孔，可以实现对尾流结构的主动控制，从而减少阻力和振动，甚至有助于降低噪声。这在航空航天、机械工程和环境流体动力学等领域具有广泛的应用前景。

未来的研究可以进一步探索这种几何修改对流体噪声的影响，以及其在不同流速和雷诺数下的适用性。同时，结合数值模拟和实验测量，可以更深入地理解喷流与剪切层之间的相互作用机制，为优化流体控制策略提供理论依据。此外，研究还可以扩展到其他几何形状，如具有不同孔洞位置或形状的物体，以进一步验证这种控制方法的普适性和有效性。

综上所述，本研究通过系统地分析贯穿孔直径比对粒子尾流结构的影响，揭示了喷流与剪切层相互作用的复杂性，并为未来的流体控制研究提供了重要的实验数据和理论支持。这些发现不仅有助于理解流体与物体之间的相互作用机制，还可能推动新型流体控制技术的发展，为实际工程应用提供科学依据。