合成射流控制圆柱绕流涡脱落模式及其机理的实验研究

Based on the physical phenomenon that the periodical antisymmetric shedding process of Karman vortex induced by flow around a bluff body might lead to the vortex-induced vibration and aerodynamic noise, a novel method for control of flow around a circular cylinder has been proposed for this project: changing the inherent vortex shedding mode. In this study, a pair of two-dimensional synthetic jets which are positioned symmetrically on the cylinder surface will be used to control the flow field. Various experimental parameters, including the Reynolds number based on the cylinder diameter, synthetic jet azimuth angle，excitation amplitude, and excitation frequency, will be adjusted, in order to change the antisymmetric vortex shedding mode, such as the suppression of vortex shedding and the occurrence of the symmetric shedding mode. The project will be conducted in a water channel by using flow visualization techniques and PIV measurements. Different data processing techniques, such as proper orthogonal decomposition (POD) and dynamic mode decomposition (DMD), will be adopted to study the vortex dynamics under synthetic jet control. Particular attention will be paid on the reveal of the physics mechanisms of the interactions between the synthetic jet vortex pair and the cylinder boundary layer/shear layer/wake vortex. The influence of the vortex shedding mode on the characteristics of the flow field, separation state, and drag force will also be studied. The control effect with different experimental parameters will be compared in order to provide the optimal control parameters for flow control application of synthetic jet. It is aimed to provide the scientific evidence for the new method of changing the vortex shedding mode by synthetic jet control.

基于钝体绕流卡门涡周期性反对称脱落会引起结构振动、诱发气动噪声这一物理现象，本项目提出了合成射流控制圆柱绕流的一种新的思路：改变尾迹涡固有的脱落模式。拟利用一对对称放置于圆柱上下两侧的二维合成射流控制圆柱绕流，通过调节来流雷诺数、射流出口方位角、激励振幅以及激励频率等，改变圆柱尾迹涡固有的反对称脱落模式,例如抑制尾迹涡脱落、诱导产生对称脱落模式等。主要通过水槽中的流动显示以及PIV测量速度场对该问题进行研究，借助本征正交分解（POD）、动力学模态分解（DMD）等多种数据处理技术，分析尾迹涡演化发展的动力学过程，揭示合成射流漩涡与圆柱壁面边界层/剪切层/尾迹涡相互作用的物理机制，研究尾迹涡脱落模式变化对流场、分离以及阻力特性的影响，分析不同流动状态下激励参数的影响规律进而获得合成射流有效控制的优化参数，最终为合成射流控制涡脱落模式这一新思路提供充实的科学依据。

基于钝体绕流卡门涡周期性反对称脱落会引起结构振动、诱发气动噪声这一物理现象，本项目创新性的提出了合成射流控制圆柱绕流的一种新的思路：改变尾迹涡固有的脱落模式。本项目将合成射流对称地布置在圆柱分离点附近，研究了尾迹涡演化发展的动力学过程，揭示合成射流旋涡与圆柱壁面边界层/剪切层/尾迹涡相互作用的物理机制，分析了不同激励参数的影响规律进而获得了合成射流有效控制的优化参数，最终为合成射流控制涡脱落模式这一新思路提供了充实的科学依据。本项目的主要创新性成果包括：. 1、揭示了合成射流控制下圆柱绕流典型尾迹涡演化模式的发展规律。固定来流雷诺数为Re=1200，改变合成射流激励参数，实验研究观测到圆柱尾迹涡脱落呈现出几种不同的脱落模式，即2S反对称模式、2P对称模式、2(P+S)反对称模式、双稳态模式和2S对称模式，详细分析了尾迹涡演化发展的动力学过程。. 2、提出了一种有效的模态分解方法即全场特征频率分解（GED）方法。GED模态分解方法简单快捷有效，以全场功率谱密度为特征频率的选取依据，可以得到特征频率对应的全场振幅谱、相位谱和模态，应用该方法成功地分析了不同脱落模式的频谱特性和差异。. 3、揭示了不同尾迹涡脱落模式产生的物理机制。综合应用流动显示和微距镜头拍摄的PIV结果，提出两种关于尾迹涡的分离与融合机制，较为有效地揭示了不同尾迹涡脱落模式的产生机理。 . 4、分析了不同激励参数对控制效果的影响规律。发现动量系数Cμ、激励频率fe和冲程A三个参数均会对圆柱尾迹涡脱落模式产生影响。合成射流只有在具有足够的动量系数和一定的射流冲程下才能改变圆柱尾迹涡的脱落模式。激励频率决定了向剪切层内输入动量和涡量的周期，影响不同尾迹涡脱落模式产生。. 5、通过数值模拟研究了合成射流布置于分离点附近时对圆柱绕流及气动力特性的影响规律。固定来流雷诺数Re=500，发现不同尾迹模式的分布表现为合成射流动量系数和频率的函数，在特定工况下尾迹涡呈现对称模式，此时圆柱升力脉动可以被完全抑制。. 6、提出了在圆柱前驻点与分离点附近开通槽控制圆柱绕流的控制方法。通槽出口射流与边界层作用，可以推迟流动分离点到通孔下边界，并进一步影响剪切层发展，圆柱绕流雷诺数Re = 780、1470，通槽宽度w/D = 0.1、0.2时, 可以诱导产生双稳态模式。