贴壁有限高方柱体三维绕流及其控制的实验研究

The flow around a three-dimensional bluff body is an important aspect in the field of fluid mechanics. Compared to the two-dimensional case, the wake of a three-dimensional bluff body contains more abundant and complex flow structures, while investigations on the control of flow around the three-dimensional bluff body are much less. This research proposal will use advanced measuring and analyzing techniques, such as tomographic particle image velocimetry (PIV) and wavelet analysis, to investigate the flow around a finite-height cylinder mounted on a flat plate, and a new passive control method using bleeding holes in the square cylinder is proposed. Tomographic PIV will be used to measure the three-dimensional flow field. Three-dimensional discrete orthogonal wavelet analysis will be developed to decompose the flow into different wavelet components, from which coherent structures of different scales can be extracted and their evolutions and interactions can be examined. Bleeding through a hole is a passive control method that has a lot of potential in controlling three-dimensional flow around the wall-mounted cylinder. In this research proposal, the influences of locations, sizes and angles of the bleeding hole will be investigated, and the parameters that has the best performance will be determined. The influence of the bleeding hole with the optimal parameters on the flow structures of different scales will be investigated, in an attempt to reveal the mechanism of flow control.

三维钝体的绕流问题是流体力学研究的一个重要方向。相比于二维情况，三维钝体尾迹中的流动结构更加丰富和复杂，而对于三维钝体绕流流动控制的研究也要少得多。本申请项目将运用层析粒子图像测速（PIV）和小波分析等先进的实验测量和数据分析方法，研究放置于平板上的有限高方柱体的三维绕流流场，并且提出在柱体上开孔的三维绕流被动流动控制新方法。采用层析PIV技术可以测得三维流场并观测三维流动结构，而发展三维离散正交小波分析技术可以将测得的流场分解为不同的小波成分，从而提取出不同尺度的流动结构并研究它们的演化和相互作用规律。在柱体上开连通孔是一种很有潜力的三维钝体绕流控制方法，本项研究将系统地研究方柱高径比，开孔位置、大小和角度等参数的影响，找到最优控制参数，并且结合三维流动测量和小波分析技术，研究最优控制情况下开孔对不同尺度流动结构的影响规律并揭示其流动控制机理。

贴壁三维柱体的绕流是流体力学研究的一个重要问题。相比于二维柱体和大高径比三维柱体，小高径比三维柱体尾迹中的流动结构更加复杂，相关的研究也较少。柱体绕流的流动控制是目前研究的热点，但小高径比柱体绕流控制的研究也相对较少。本项目提出在柱体上开孔的三维绕流被动流动控制新方法，并利用二维和三维粒子图像测速（PIV）和多维小波多分辨分析等先进的实验和数据分析方法，研究了放置于平板上的有限高矮柱体的三维绕流和流动控制的作用与机理。研究结果表明，矮柱体的绕流是由自由端剪切流、侧壁面剪切流和底面边界层等流动结构共同作用而形成的，其中包含马蹄涡、拱形涡、以及脱落的横向涡和展向涡等流场结构。和矮圆柱体相比，矮方柱体的回流区范围更大、湍流化程度更高，其中产生的涡系更加复杂。柱体开孔方法可以有效地对矮柱体绕流进行控制。水平孔（HCH）产生的射流直接作用于柱体近尾迹结构，并缩小尾迹回流区尺寸、降低流场湍流度和湍动能。流场动态分析表明HCH射流与射流涡能够阻碍了柱体两侧剪切流的相互作用，并诱导尾迹展向大涡加速脱落。位于柱体中间高度的HCH具有最佳控制效果。前向倾斜孔（FIH）的射流直接作用于柱体自由端的剪切层，抑制自由端回流区和涡结构，并破坏柱体尾迹的多尺度结构的转化过程。入口靠近自由端的FIH具有最佳的控制效果。此外，HCH和FIH的控制效果均与孔径成正比。本项目验证了使用Tomo-PIV技术对柱体三维流场进行测量和数据分析的能力，并在一维和二维小波技术的基础上发展了三维正交小波多分辨分析技术。通过这些技术方法可以提取三维流场中不同尺度的流动结构并研究它们的演化规律。本项目的成果在矮柱体绕流方面提出了新的见解，开孔的方法为柱体的绕流控制提供了一种可行的方案，相关研究可以作为减阻、减振与降噪等工程问题的重要的参考。