Der Schwingungs mechanismus der Flow-Structure Interaction (FSI) von Bluff-Körpern mit hohem Massen verhältnis wird unter Verwendung derHoch geschwindigkeit kameraKombiniert mit der PIV-Technologie (Partikelbild-Velocimetry), die Messungen mit hoher räumlicher Auflösung ermöglicht.
Die fluss induzierte Vibration (FIV) von Bluff-Körpern ist ein typisches Problem der Flow-Structure-Interaktion (FSI) in der Hydraulik-und Ozean technik. Seine dynamische Reaktion beruht auf der Wechsel wirkung zwischen instabilen Nachlauf strukturen und struktureller Bewegung.
Im Gegensatz zu wirbel induzierten Vibrationen (VIV) in kreisförmigen Zylindern, in denen Trenn punkte beweglich sind, weisen Bluff-Körper vom Prismen-Typ feste Trenn punkte auf. Dies führt zu komplexeren Kopplung beziehungen zwischen Weckent wicklung und struktureller Schwingungs reaktion.
Bestehende FIV-Studien konzentrieren sich haupt sächlich auf Bedingungen mit niedrigem und mittlerem Massen verhältnis. Unter Bedingungen mit hohem Massen verhältnis fehlen dem Vibrations verhalten und den Nachlauf mechanismen jedoch immer noch hoch auflösende experimentelle Beweise.
Um diese Lücke zu schließen, stellte das Forschungs team der Tianjin-Universität vorHoch geschwindigkeit bildgebungTechnologie kombiniert mit aPIV-SystemUm Wach strukturen quantitativ zu messen. Durch synchron isierte Analyse von Strömungs feldern und Vibrations signalen wird der Strömungs-Struktur-Interaktion mechanismus aus der Perspektive der Nachlauf dynamik untersucht.
Diese Studie nimmt aPartikel-Bild-Velocimetrie (PIV)-SystemAls Kern messtechnik zur Einrichtung eines Strömungs feld beobachtungs systems mit hoher räumlich zeitlichen Auflösung.
Bild erfassung:
DieHoch geschwindigkeit kamera Revealer X150Wird verwendet, um eine Auflösung von 2560 × 1920 Pixel und eine maximale Erfassungs rate von 2000 fps bereit zustellen. In diesem Experiment werden Bilder kontinuierlich mit 100 fps auf gezeichnet, um die Wake-Evolution zu erfassen. DieHoch geschwindigkeit kameraSpielt eine entscheidende Rolle bei der Identifizierung von Scher schicht strukturen, Wirbel kernen und phasen gemittelten Strömungs merkmalen.
Durchfluss messung und Beleuchtung:
DiePIV-SystemVerwendet einen Dual-Puls-Laser, um ein Laser blatt mit einer Dicke von ungefähr 3mm zu erzeugen. Tracer-Partikel (Glasperlen mit einem durchschnitt lichen Durchmesser von 5 μm und einer Dichte von 1,1g/cc) werden verwendet, um genaue zwei dimensionale Geschwindigkeit feldmessungen zu ermöglichen.
Zusätzliche Instrument ierung:
Ein Laser-Verschiebung sensor wird verwendet, um die Schwingungs amplitude in Echtzeit zu überwachen.
Die Synergie zwischen dem X150Hoch geschwindigkeit kameraUnd diePIV-SystemSpiegelt sich in zwei Aspekten wider:
(1)Hoch geschwindigkeit kameraLiefert stabile, hoch auflösende Bilds equenzen;
(2)PIV-AlgorithmenWandelt Bilder in quantitative Geschwindigkeit felder um, ermöglicht eine detaillierte Analyse von Nachlaufs trukturen und unterstützt Flow-Structure-Interaktion studien.
Experimente werden in einer zirkulieren den Wasser rinne durchgeführt. Der X150Hoch geschwindigkeit kameraWird verwendet, um die Nachlauf region eines repräsent ativen Bluff-Körper modells mit hohem Massen verhältnis zu beobachten.
Durch Variation des Anstellwinkels und der reduzierten Geschwindigkeit werden unterschied liche Strömungs bedingungen erhalten. Für jeden Fall werden mehr als 2000 Bild paare gesammelt. Ein Kreuz korrelation algorithmus mit zwei Durchgängen (von 64 × 64 Pixel bis 16 × 16 Pixel mit 75% Überlappung) wird angewendet, um hoch auflösende Vektor felder mit momentaner Geschwindigkeit zu berechnen.
Gleichzeitig werden Vibrations reaktionen unter Verwendung eines Verschiebung sensors gemessen. Frequenz charakter istiken werden durch Spektral-und Zeit-Frequenz-Analyse extrahiert.
Durch Zeit synchron isation erhielten Wake-Strukturen aus demPIV-SystemSind auf Vibrations signale ausgerichtet und ermöglichen die Herstellung von Kopplung beziehungen zwischen Strömungs dynamik und struktureller Reaktion.
Basierend auf Daten, die von derX150 Hoch geschwindigkeit kameraUnd verarbeitet unter Verwendung von zeit aufgelöstPIV(TR-PIV) werden die Entwicklung der Wake-Struktur und die Wechsel wirkung merkmale zwischen Strömungs struktur unter verschiedenen Bedingungen analysiert:
4.1 2S Vortex Shedding Mode bei α = 0 °
Bei α = 0 ° zeigen die PIV-Ergebnisse einen typischen symmetrischen 2S-Wirbel abscheide modus, bei dem sich Scher schichten von den oberen und unteren Eckpunkten trennen und abwechselnd Wirbel abwerfen.
Dieses Strömungs muster entspricht sehr kleinen Schwingungs amplituden, was darauf hinweist, dass der Strömungs energie eintrag nicht ausreicht, um signifikante strukturelle Vibrationen anzuregen.
Abbildung 1. Symmetrische 2S-Nachwachstruktur gemessen durch PIV-System
4.2 Asymmetrische Trennung bei α = 15 °
Bei α = 15 ° zeigt der Nachlauf immer noch einen 2S Wirbel abscheide modus. Die untere Scher schicht unterliegt jedoch einem komplexen Prozess der Trennung, Wieder befestigung und erneuten Trennung.
Dieses asymmetrische Strömungs verhalten verändert die lokale Druck verteilung, aber die gesamte Nachlaufs truktur bleibt unverändert, was zu geringen Schwingungs amplituden führt.
Abbildung 2. Asymmetrische Scher schicht entwicklung, die vom PIV-System erfasst wird
4.3 Inter mit tieren des Galoppieren bei α = 25 °
Bei α = 25 °, entsprechend dem inter mit tieren den Galopp regime, der X150Hoch geschwindigkeit kameraFängt längliche Wirbels traßen ein.
PIV ErgebnisseZeigen einen erhöhten Wirbel abstand und eine verzögerte Scher schicht entwicklung, was zu einer verstärkten Wake-Unstetigkeit führt. Diese Strömungs struktur entspricht instabilen Auftriebs schwankungen und dient als hydro dynamische Basis für inter mit tieren des Galoppieren.
Abbildung 3. Inter mit tieren der galoppieren der Wake, der durch Hochgeschwindigkeits-Bildgebung und TR-PIV erfasst wird
4.4 Getrenntes VIV und Galoppieren bei α = 35 °
Bei α = 35 °, in dem Regime, in dem VIV und Galoppieren getrennt nebeneinander existieren, zeigen PIV-Ergebnisse verkürzte Scher schichten und stromabwärts verschobene Wirbel bildung an.
Die Nachlauf breite und der Wirbel abstand nehmen zu, was dem Übergang von wirbel induzierter Vibration zu galoppieren entspricht. Dies spiegelt eine erhöhte Strömungs instabilität und eine stärkere Strömungs struktur kopplung wider.
Abbildung 4. Wake-Struktur übergang von VIV zu galoppieren, gemessen durch PIV-System
4,5 Galoppieren bei α = 60 °
Bei α = 60 ° erfasst PIV einen typischen 2P-Wirbel abscheide modus, bei dem zwei Paare gegenläufiger Wirbel pro Vibrations zyklus abgeworfen werden.
Die X150-Hochgeschwindigkeitskamera zeigt große Wirbels trukturen und ihre Entwicklung, was auf einen signifikanten Energie eintrag in das Nachlauf hinweist und zu Vibrationen mit großer Amplitude führt.
Abbildung 5. 2P galoppierende Nachlaufs truktur, beobachtet durch Hochgeschwindigkeits-Bildgebung
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass sich die Nachlaufs truktur von einem 2S zu einem 2P Wirbel abwurf modus entwickelt. Dieser Übergang bestimmt zusammen mit Änderungen der Trennungs position, der Wirbels kala und der Nachlauf expansion direkt die Entwicklung der Vibrations reaktionen.
Diese Studie untersucht den fluss induzierten Vibrations mechanismus von Prismen-Bluff-Körpern mit hohem Massen verhältnis unter Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Bildgebung und PIV-Messungen. Aufdeckung des Strömungs-Struktur-Interaktion mechanismus aus der Perspektive der Nachlauf dynamik.
Die wichtigsten Schluss folgerungen sind:
Ich. Unter verschiedenen Anstellwinkeln können Vibrations reaktionen in vier Regime eingeteilt werden: keine Vibration, inter mit tieren des Galoppieren, getrenntes VIV und Galoppieren und Galoppieren. Diese Regime spiegeln Unterschiede in der Kopplung zwischen Nachlaufs trukturen und Struktur dynamik wider.
II. Bei hohen Massen verhältnissen dominiert die Nachlaufs truktur die Vibrations reaktion. PIV-Messungen zeigen, dass Variationen der Scher schicht trennung und der Wirbel abscheide modi die Schlüssel faktoren für Vibrations regime sind und einen typischen Wechsel wirkung sweg zwischen Strömung und Struktur bilden:
Wake-Struktur → Fluid kraft → strukturelle Reaktion.
III. Das inter mit tierende Galoppieren ist im Wesentlichen ein nicht stationärer Schalt prozess zwischen verschiedenen instabilen Nachlauf zuständen, der auf eine hohe Empfindlichkeit des Strömungs-Struktur-Interaktion systems in der Nähe kritischer Bedingungen hinweist.
IV. Die kombinierte Nutzung derHoch geschwindigkeit kamera Revealer X150Und diePIV-SystemTransform iert die Flow-Structure-Interaction-Analyse von indirekter Inferenz zu direkter Beobachtung und quantitativer Messung und bietet ein leistungs starkes experimentelles Werkzeug für die instabile Strömungs mechanik und die FSI-Forschung.
Mit der kontinuier lichen Weiterentwicklung der Strömungs-Struktur-Wechsel wirkung und der instabilen Strömungs mechanik forschung bietet die hoch auflösende Durchfluss messung auf Basis von PIV-Systemen einen visualisierten und quantitativen experimentellen Ansatz zur Untersuchung komplexer Fluid-Struktur-Interaktion probleme.
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