颗粒流中钝体绕流问题的实验研究

In the project, we combine hot wire, PIV, PTV, balance to measure particle-laden flow around bluff bodies. Mainly forces, wake and wake control of bluff bodies can be obtained and studied. The experimental data can justify that of obtained from single-phase flow to avoid damage or losing money in the engineering. The theory on particle-laden flow around bluff bodies will be established based on the study. The results of the study are potential helpful to nuclear engineering, atmosphere control, combustion and explore of outer space and so on.

利用热线、PIV、PTV、测力天平联合测量技术，进行大量实验获取颗粒流中钝体受力、尾流及其控制的数据，与单相流同类经典数据比较，研究颗粒流给单向流钝体绕流规律带来的影响，建立适合颗粒流中钝体受力和尾流控制的技术和方法。根据研究结果，构建颗粒流绕流问题的理论、研究方法和颗粒流钝体绕流控制的基本技术框架。项目研究结果可能避免工程中因用单相流绕流数据代替颗粒流绕流数据而引起灾害或重大损失，在核工程、大气环境治理、燃烧、外太空探索领域有重要应用。

项目旨在探索不同分布、不同尺度颗粒对钝体绕流的影响规律。为此，在风洞和水槽中开展了大量的实验研究。研究发现，当颗粒特征尺度与钝体当量尺度相当时，颗粒对绕流特性、钝体受力特性有明显的影响。颗粒特征尺度LD ≥ 0.56D（D为钝体当量直径）时，随着吃水深度的增加，钝体在颗粒分布区的平均绕流阻力系数单调递减，吃水深度增加会削弱颗粒与钝体的碰撞，碰撞阻力影响由明显降低为不明显，最终平衡状态的阻力以颗粒流绕流阻力为主导；当LD ≤ 0.28D时，钝体对颗粒产生很强的排挤，阻力主要产生机制是颗粒流绕流导致，且阻力受吃水深度影响较小。实验发现，弗洛德数Fr（Fr =U / √gD，U拖曳速度）不影响阻力随吃水深度的变化规律，但Fr从0.50增大至1时，兴波阻力显著增加，使阻力在不同吃水深度都有一定程度的增大。此外，阻力的变化与颗粒局部覆盖率有很大关联，局部覆盖率越大，阻力越大。研究结果反映了颗粒物对钝体绕流存在影响，且与颗粒物的几何特征、物理分布特性、钝体吃水深度、钝体运动速度等相关联。相关研究结果可为水纹地址灾害发生时处于洪水中结构的安全预报和分析提供理论基础，也可为研究极地破冰船航行、水下物体发射等情况中出现的钝体与冰块相互作用提供理论研究基础。此外，项目完成过程中开发了许多通用性强的风洞实验技术，包括自动PIV, 多物理场同步/异步测量，基于压力和速度信息反馈的随机流动结构捕捉技术等。这些通用实验技术在其它研究中发挥了重要作用，也为成功指导了工程应用。