本文对阻塞比分别为１０％、２５％和３３％的二维圆柱模型在低速风洞中测量了其周向压力分布及相应的壁压信息;然后用壁压积分法进行洞壁干扰修正;结果表明修正方法简捷精确;在堵塞比为３３％时仍获满意的修正结果;对风洞实验洞壁干扰研究具有很好的实用价值

周杰

蒋金贵

袁建昆

韩延良

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

 f一& f 空 气 动 力 学 学 报 ACTA AE．ROD YNAM lCA S11 1CA 、 I．13．No．2 jun．。 1994 圆柱 绕 流 洞 壁 干 扰修 正 研 究膏 ／ 衰建昆韩延良周 杰 蒋 ’ ， — - 一 ‘  — 一  中国科学院力学研究所，北京(邮政编码 ，^ ／t摘要 本文对阻塞比分别为10％、25％和3％的二维圆柱模型在低速风洞中测量 了其周向压力分布及相应的壁压信息，然后用壁压积分法进行洞壁千扰修正，结果表明修 正方法简捷精确， 在堵塞比为 33 时仍获满意的修正结果，对风洞实验洞壁千扰研究具 有很好的实用价值。 关键调 低速风洞，涧壁干扰，壁压积分逮。 符 号 8 阻塞比 无量纲轴向干扰速度 无量纲边界层外缘速度 下 标 “ 米经修正值 c 修正后的值 ．  ． 风涧左侧壁 C， i 一 1 ． ． 压力系数 当地静压 雷诺数 壁面参量 反函数符号 风稠右例避 引 言 枉空气动力学实验研究 中，洞蹙干扰一直是人们所关心的课题，无论是航空风洞还 是大气边界层风凋，洞壁干扰常使实验数据严重失真，大大影响实验结果的精确性。传 统的修正方法是将实验模型代2以奇点分布，然后用镜像理论进行处理，然而 当绕流 出 现分离时，谈方法对于奇点强度与分布的给出就 变得复杂和困难了。八十年代出现 了一 种将实验与计算融为一 体的新的洞壁干扰修正法 ， 即壁压信息修正治， 如迭代法 、 矩阵法 、积分法 等等；另外，在环境空气动力学中，对各种各样的钝体绕流实验的 修正并不多。本文旨在利用壁压积分法对圆柱绕流的压力分布进行修正，探讨模型堵塞 比的增长极限， 扩张钝俸修正的内容， 进一步证实修正 方法的可行性 ，结果表明该方 法简捷、准确，计算速度快，修正结果令人满意，很适于随风洞运行作联机实时修正。 一， 实验设备、模型与方法 吱验怂在中圈科学院力学研究所 0．6m×0．4m×4m他低通风洞 中进行的，其最大风 圈家 自然科学基盘资助 I：。 丰文于 1992牛9月1日艮 ，1993年3 12日收到怔改稿。 明 一 哆  娑1，， l  V  )  蛐贵 ∞ 金  维普资讯 http://www.cqvip.com 2ZO 生 气 动 力 学 学 报 (1994年)第 12卷 速为 30m／s，平均湍流度为 0．45‰ 计算所用微机为主频 I OMH z的AST286。 模型是堵塞比分别为 10％、 25 和F33％的三个有机玻璃圆柱，长为39．8cm，直 径分别是6cm、15cm~]20cm，在其 中部开一个直径为 O．5ram的测压孔，距实验段侧人 口2．5m处将模型竖直立于风洞轴线上，通 过动模型来测量其表恒丽力分布，同时在转 壁上洲取壁压信息 (圈 1)} 为了便于结果比较， 朋 Roshko 和 William⋯ 的小堵塞 周 1 挂型装置厦坐标系 Fig．1 M odcl installation and recZangutar aXeS 比I契验曲线作参考，表1列出了各实验条件。覆4压用多管压力计，实验数据均重复测量 二次，脱机处理数据。 衰 1模盈参数噩实验条件 Table 1 Model parameter and c0nditi0n fe sting 二、 璧压积分法原理 C一1· 1O O．7×10 O．0045 C一2 25 1．7×10 0．I)045 C一 3． 33 2．O x 11) 0．0045 Rcshko 4 0．14×10‘ 低 湍 w illiam 2 2．0×10 低湍 文献E6]首先提出了解不可压 N—s方 程的新方法，其优点是计算的区域仅限于 粘性起作用的区域 ，太大减少了计算工作 量， 以此为基础， 文献[3]将流场中任一 点的速度表示成包含涡的简单函数的积 分， 以此作为洞壁干扰修正的基础，只要 壁压测量出来， 就不必求解 N—s方程} 粘性区域(洞壁边界层 )的涡强度与壁压之 间可由Bernoulli方程联系起来，通过积分就可以求出谊场中任何一点的干扰速度，从而 得出其它物理参数的干扰量。该方法将传统修正方法分列的各种干扰效应和堵塞效应垒 都含于一个积分公式之中，简化了计算，并且由于积分而对测量数据的跳动不敏感。 因为横向干扰速度与轴向干扰速度相比极小， 所以只考 虑轴 向干扰 速度， 由文 献[3]给出 ， 一  器  维普资讯 http://www.cqvip.com 筘 Z期 嚣建昆等；圃柱绕流洞甓干扰修正研究 一 h1 ．  荽 洲齄边界层外缭速度 与壁压系数问可由 Bernoulli方程和连续方程导出 c =一；-一 e( 一1) j≈(2)代入(1)，且积分取至渐进值 ， 有 一a==  (2- q fi： c ， C ~)dxci1／、一0J一  ‰ +c (薯) f¨— 玑 ～其 日·，fl，。J是风洞的半宽，常数 C为 81(c c (f二 IY． t-~f一『{尹V oI-vf一) + ‘ c f一 Ⅳf 2 ( 一￡) f—fr f一玎f 。 —f f：二t，一2 1 - e，} IY：．rI=- vl·c~tg-* I ．Tf2—  j王， l一 l lT 一 c F X同N-X f～ g— ff 2~N-f_X 22 t[I(0)式求 轴向干扰述度 (一 )后，可用文献[1]的瑷 力系数修正公式修正物而 压力系数 C。——1 C +l (4) 以上公式推导中未曾引用镜像理论，也未用到奇点分布，避开了绕流的复杂性， 但 并未引入近似假设，方法是精确的，计算仅限于壁压分布的简单积分，在AsT286上仅 需 2秒钟即可得出修正结果，很适于联机实时修正 兰、 实验数据处理 实验时，先测出来流静压 和动压 g ，则 壁压系数 =( -p,． ．-p=)⋯ 簪型物而压力系数c (6) (6) )  )  )  1  2  3  (  (  (  维普资讯 http://www.cqvip.com 222 空 气 动 力 学 学 报 (1994年)第 j 2卷 实验误差：压力系数测量的标准误差为 一 ／ I,f( ～ ．) l EAr MC C／(一1)] (7) 一∑∑ ¨、I i；1 l 1 其中，Ⅳ、Ⅳ分别是测压点个数及单个测点重复的次数， C 是肘次测量的平均值。 四、结果分析 实验同次开车压力系数测量的标准误差低于 0．05。 实验测量了圆柱周向压力分布及壁压信息，修正曲线给出了柱面周向测点轴向干扰 速度分布及圆柱模型物面压力分布， 对于参考曲线，从 Re数的角度考虑，对堵塞比为 10％ 的模型以 Roshko曲线为参考， 对堵塞比为 25 、33 的两模型阻 W illiam曲线 罔 2 疃 L分粕 线 Fig．2 M easured wall Fres su zes along the axis 图 3 修正前的物面王力分m Fig．3 Uncerrected pre ssu re d]st ribUlion flFOInd cylindec 为参考。 图 2给出了三个堵 塞 比时 的壁压 分 布，8越大，涧壁干扰越大，壁压信息越 强，且在模型上、下游达到渐近信的距离 也越大I另外，鲢压最低点并不在柱的巾 心处(坐标原点)，而是偏后一定距离，这 说明亚临界情况下，尾迹最宽的地方在柱 面的后半部分。 图 3和图 4分别为姥 修正前的周 压力分布和修正后的阈向雎力分布，弄堵 塞比模型压力分布曲线韵趋势是一致的， 图 4 修正后的物面压力分靠 Fig．4 Corrected pressure djstribution around cy1]nfler 分离点(最低压力点)在 70。左右，e越大， 压力系数的失真越严重， 对C一1 模型而 言， 相对于 Roshko曲线的待修正量为 2O％ 左右，修正后的误差为 一3％ 左右，逸可用 亚临界条件下的雷诺数效应来解释， Re数越大。曲线越向下移，向无牯曲线靠拢”’； 维普资讯 http://www.cqvip.com  第 2期 袁建昆等t卿拄绕流洞壁干扰修正研究 223 — — — — — —— — —  对 c一2 、C一3 模型，相对于 W illiam曲线， 其待修正量分别为 50 、 7o％ 左右， 修正后的误差分别为 2 、 4 左右， 造成误差的原因是多方面的 ， 除 雷诺 数效应 外，不同风洞的湍流度不同，测量 中存在的系统误差等都会影响到结果的精确性。 总之，从结果可看出，壁压积分法对圆柱绕流压力分布的修正是简捷有效的，每一 个模型修正所用的计算时间为 2秒钟左右。 五、结 论 1·壁压信息积分法对圆柱绕流洞壁干扰的修正是可行的， 方法简捷， 运算快速， 很适于联机实时修正。 2·积分计算所用的壁压信息在模型上、下游应测到渐近值，如对C一1 模型，至少 要测到其上游 9倍直径处，下游 6倍直径处，否则会给修正结果带来较大误差。 3·堵塞比越大，模型物理参量的失真越严重，C一1 、c一2 、C一8 模型的压力 分布失真度分别为 20 、50 、70 左右。 4．Re数越大，曲线越向下移，这正是亚临界圆柱绕流的一个特点。 虽然本文对圆柱绕流压力分布的修正较为满意，但对其它外形的钝体绕流是否适用， 还有待进一步的探 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 224 空 气 动 力 学 学 报 参 考 文 献 (1994年)第 』2卷 Hackett J E， W ilshden D J， Lilley D E． Estimation of Tunnel Blockage from W al】 Pressure Signatures： A Rcvicw and Data Correction， NASA CR152241， 1979． 江杜消．低 速实壁风祸删压实验洞壁干扰修正．航空学报，1988，9：(8)375～389 周长诲．1医速风洞洞壁干扰修正的穰丹方法．空气动力学学报，1985；2<1)：l～lO Roshko A ．On the Drag and Shedding Frequency of 2-D Bodies．NACA TN．3i69，1954． W iRiam J B， Laureace K ， Loftin J． Experimenta1 Investigation of the Pressure Distribu． tion Abo~t a Yawed Circular Cylinder in the Critical Reynolds Number Range． NACA TN-2463．1951． W u J C， Thompson J F． Numerical Solutions of Tjlyre Dependent Zncompressible Navier． Stokes Equations Using an 1ntegtal·Differentia1 Form ulation． Com tluter 4ad F u ds， 1973， 1|197~ 215 Schlichting H． Boundary-Layer Theory， New York，M cGRAW ．Hill Inc．， 1979． The Corrected Investigati0n of W all Interterence oll Cylinder Flows Yunn J；ankun Han Yanliang Zhou Jie Jiang Jingui (I"sfj rue o， Mech nics，A~fl de¨ 1ia 5 tlic口) Ab stract The circumference pressures of three 2一D cylinder mode1 s and the responsibl e wall pressures were respectively measuredJ the model blockage ratios were 10 ，25 ，33 respectively，then the non—interference data were computed Sy using the m ethod of wall pressure integratiom it show s that the integral method was sim ple and accurate， to hloekage ratio 33 ， the satisfied result was a]so gained~ it is of very good D ractlcal value for Ⅵal1 interference COt rection． Key wo rd s low一~peed wlad tunne1． wall interference． w all p ressn rc integration． 维普资讯 http://www.cqvip.com 

圆柱绕流洞壁干扰修正研究

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圆柱绕流洞壁干扰修正研究

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