圆柱附加旋转整流罩表面压力分布及气动力特性

　　０　引言

　　流体流经圆柱体的流动机理，在例如深海隔水管、建筑桥梁、换热管等工程实际应用中有着非常重要的意义。尤其是非定常绕流过程，会导致交替的涡旋脱落与运 动。由于这些漩涡脱落的影响，从而对圆柱体产生周期性变化的作用力，并会导致圆柱体大幅振动，甚至发生疲劳破坏。减小由漩涡脱落产生的脉动力是解决该问题 的关键因素。

　　为减少和防止涡激振动造成的破坏作用，经过多年发展，人们已经提出很多形式的被动抑制装置。分隔板是其中被广泛使用的控制圆柱体涡激振动的装置 ［１－４］。Ｌｅｓａｇ和Ｇａｒｔｓｈｏｒｅ［５］将一根小控制杆放置在圆柱体的上游，通过改变原有的流动条件，减少圆柱体所受的阻力和升力。Ｇｒａｎｔ 和Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ［６］以及Ｋｕｍａｒ等［７］利用固定整流罩控制深海隔水管的涡激振动，在抑制圆柱体旋涡脱落的同时能够有效减小圆柱体的振幅。

　　但是以上这些抑制装置，包括固定整流罩大多具有方向敏感性，当来流方向改变后效果会受到显著影响，甚至起到增加升阻力和加剧涡激振动的反作用，这限制了其 在工程中的应用。因此不受流向限制的涡激振动抑制装置开始被人们关注和研究。Ｌａｍ等［８］以及王沣浩等［９］提出了一种具有三维表面特征的波状圆柱，该 圆柱具有减阻、减振的作用，且不会受到流动方向的限制。Ｌｅｅ和Ｋｉｍ［１０］以及Ｂａａｒ－ｈｌｏｍ等［１１］研究了螺旋条纹对涡激振动抑制的效果。 Ｃｉｍｂａｌａ和Ｇｒａｇ［１２］首次采用可自由旋转的分隔板的涡激振动抑制装置，发现分隔板会旋转至一个平衡位置，能达到推后尾迹漩涡形成，并抑制漩涡 发展的效果。

　　本文在固定整流罩思想的基础上，首次提出采用旋转整流罩的涡激振动抑制方法，即将整流罩制作成可自由围绕圆柱体轴心旋转，并采用自行搭建的同步测压系统对 其表面压力分布和气动力特性进行实验研究。结果表明旋转整流罩可有效改善整流罩对来流方向的适应性，同时控制圆柱体的升力和阻力，并且有效抑制漩涡脱落。

　　１　实验系统

　　１．１　实验装置和参数

　　本实验在一个试验段尺寸为０．６ｍ×０．６ｍ×２ｍ的低速风洞中进行，风速的可选范围为５～２５ｍ／ｓ。在本实验常用风速范围内，风洞试验段所测稳定性系 数η≤０．００３，壁面边界层厚度约为３０ｍｍ，试验段的自由流动湍流度在０．１％以内，满足测量钝体绕流尾迹形态的湍流度要求［１３］。整流罩模型圆弧 部分的直径Ｄ为４０ｍｍ，因此最大阻塞比约为６％。模型两端安装两块１１．５Ｄ×７Ｄ的端板。模型的宽高比为１２．５，满足了Ｓｚｅｐｅｓｓｙ和 Ｂｅａｒｍａｎ［１４］提出的保证流场中心部分两维特性的要求。