文章编号：1000-4750(2021)Suppl-0089-04
旋转圆柱气动力特性风洞试验研究
刘剑寒1
，马文勇
1,2,3
怎么注销微信(1. 石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043；2. 河北省风工程和风能利用工程技术创新中心，石家庄 050043；
3. 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，石家庄 050043)
摘 要：圆柱在转动时会形成非对称的流场，导致圆柱气动力发生改变，旋转圆柱的气动力在风力发电或航海领域有很广的应用前景，气动力特性的研究对这些应用有重要的意义。通过刚性模型测力风洞试验，对不同转速下旋转圆柱的气动力特性及其变化规律进行研究，总结得到转速比和升阻力系数的关系。结果表明：随着转速的提高，旋转圆柱的平均升力系数增加，平均阻力系数减小；在不同的转速比区间内平均升阻力系数的变化规律有所差异，转速提高时升力系数增加幅度有所变化，而阻力系数受到影响很小。关键词：旋转圆柱；风洞试验；气动力特性；转速比；升阻力系数
中图分类号：O355 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.S016
WIND TUNNEL TEST ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS
OF A ROTATING CYLINDER
德国莱茵LIU Jian-han 1
, MA Wen-yong
1,2,3
(1. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;
2. Innovation Center for Wind Engineering and Wind Energy Technology of Hebei Province, Shijiazhuang 050043, China;
3. State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures,
Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)
Abstract: The aerodynamic force on circular cylinders changes becau of the formation of asymmetric flow when the cylinder rotates. The effect of the rotation on aerodynamic force has wide application in wind power generation or navigation, and the characteristics of the aerodynamic force on a rotating circular cylinder significantly influence the development of the applications. In this study, the features of the aerodynamic force on a circular cylinder are illustrated to reveal the effect of the rotation ratio. The results show that an average lift coefficient increas with the increa of the rotation ratio. Meanwhile, the mean drag coefficient decreas when the rotation ratio increas. The variation of the lift coefficient with the rotation ratio differs from the drag coefficient. The lift coefficient changes more considerably than the drag coefficient.
Key words: rotating cylinder; wind tunnel test; aerodynamic characteristics; rotation ratio; lift and drag凉拌西兰花怎么做
coefficient
圆柱在旋转时会带动周围的空气流动，这会改变圆柱周围流场的特征和圆柱的气动特性，当旋转圆柱经过流体时，对流侧和并流侧产生的速度差导致圆柱受到沿垂直于轴向和流体流动方向马格努斯升力的作用[1]
，
因此旋转圆柱在工程中有着广泛的应用前景，诸如Flettner 转子船[2 − 3]
、马
格努斯垂直轴型发电机[4]
等。但是目前对于旋转圆柱气动力随转速的变化规律认识还不充分，旋转圆柱应用技术还不够成熟，因此需要针对作用在旋转圆柱上气动力特征进行深入的研究。
转速是影响旋转圆柱气动力特性的主要因素，主要体现在对升阻力系数的平均值、脉动值和平
收稿日期：2020-05-28；修改日期：2020-12-28基金项目：河北省教育厅重点项目(ZD2018063)
通讯作者：马文勇(1981−)，男，陕西人，教授，博士，主要从事结构的风荷载、风致振动与控制研究(E-mail: *********** ).作者简介：刘剑寒(1997−)，男，河北人，硕士生，主要从事结构的风荷载、风致振动与控制研究(E-mail: *******************).
第 38 卷 增刊Vol.38 Suppl 工 程 力 学2021年6 月
June
2021
ENGINEERING MECHANICS
89
均升阻比系数的影响上。Swanson[5]、Takayama和Aoki[6]、Badalamenti[7]、Bordogna等[8]进行了多次旋转圆柱的风洞试验，试验结果表明随着转速改变，圆柱的气动力变化规律会受到不同程度的影响。Swanson[5]在最大转速比为1的范围内进行了旋转圆柱的测力试验，随着转速比提高，升力系数增加同时阻力系数减小，当转速比进一步提高至0.6时，升力系数曲线的斜率变大。Takayama 和Aoki[6]在风洞试验中用火花追踪法得到了可视化结果，结果表明圆柱旋转时分离点沿旋转方向移动，尾迹面积减小，阻力系数变小。Badalamenti[7]在更大的转速比范围内进行了旋转圆柱风洞试验，升力结果与Swanson[5]的结论较为一致，但是当转速比提高至2.5以上时，升力系数曲线斜率有所减小。Krahn[9]通过试验，提出假设：旋转圆柱上、下表面不对称的转捩会影响到非对称的边界层分离，进而影响到圆柱上、下表面的压力分布。Yazdi等[10]的数值模拟结果解释了马格努斯效应产生升力的原因，在一定程度上证实了Krahn[9]的假设，旋转圆柱周围的流动状态不对称，驻点和分离点会移动并偏离中心线，驻点会沿着表面向对流侧移动，圆柱的两侧分别产生的对流和并流导致平均速度改变，对流侧表面的压力相对于并流侧会更大，从而在圆柱上产生向上的升力。
目前多数研究是针对于静止圆柱的气动特性研究，或是对于雷诺数效应作用下的旋转圆柱气动特性 [11 − 13] ，但是对于马格努斯效应和转速的影响研究较少。本文通过高频天平测力风洞试验，测量了不同转速下圆柱气动力的大小，分析了转速比对气动力特性的影响，为旋转圆柱的工程应用提供参考和依据。
1 试验概况
1.1 试验设备及模型
试验在石家庄铁道大学STDU-1风洞实验室的高速试验段进行，高速试验段的截面尺寸为2.2 m×2.0 m，最大风速能够达到80.0 m/s。试验模型采用直径D=250 mm，跨度L=1500 mm的有机玻璃光滑圆柱，阻塞率为8.5%，模型两端设置直径D e=500 mm的端板，以减弱自由端引起的三维流动。模型两侧分别连接步进电机和转轴，步进电机固定在六分量高频天平上，在不同转速工况下进行数据的采集工作。图1和图2分别给出了试验模型安装示意图和升阻力方向的定义图。
图 1 试验模型安装示意图
Fig. 1 Test model installation diagram
图 2 升阻力定义图
Fig. 2 Lift and drag force definition diagram
1.2 试验工况
试验雷诺数范围6.35×104~2.60×105；转速范围0 r/min~270 r/min，步长30 r/min。
1.3 试验参数
定义转速比为k=ωπD/(60U)，其中：ω为转速；U为来流风速。定义升力系数为C L=F L(0.5ρU2LD)、阻力系数为C D=F D(0.5ρU2LD)，其中ρ代表空气密度，F L、F D分别为旋转圆柱体受到的升力和阻力。雷诺数Re=ρDU/µ，µ代表动粘性系数。
2 试验结果分析
2.1 转速对升力系数和阻力系数的影响
升力系数是衡量马格努斯效应强弱的重要参数，图3给出了平均升力系数随转速比的变化规律。从图3中能够看出，随着转速比提高，升力系数呈现增加趋势。在不同的转速比区间内，升力系数变化规律有所差异：当转速比小于0.2时，不同雷诺数下升力系数随转速比的增加幅度基本一致，升力系数曲线斜率约为1.3；当转速比k=0.2~0.4时，升力系数曲线斜率有所增大，曲线斜率约为1.5，随转速比提高升力系数离散程度增大；当转速比大于0.4时，随着转速比提高升力系数增加幅
90工 程 力 学
度进一步增大，曲线斜率约为2，此时升力系数离散程度达到最大。
图 3 平均升力系数随转速比的变化
Fig. 3 Variation of C L with k
随着转速比提高，除升力系数增加外，升力系数的增加幅度也随之增大，马格努斯效应在转速比提高时影响有所增强，而升力系数的离散性增大意味着马格努斯效应的稳定性有所减弱。
图4给出了平均阻力系数随转速比的变化规律，由于长细比较小，静止圆柱的阻力系数略小
于二维理想圆柱的对应值(C D =1.1~1.3)
[14 − 15]
。平
均阻力系数随转速比的增加呈现减小趋势，高转速比时甚至会出现负阻力现象(k >0.7)。转速比的改变对于平均阻力系数变化规律产生的影响较弱，不同雷诺数下阻力系数的减小幅度基本一致，且随着转速比的改变没有发生明显变化，平均阻力系数曲线斜率约为−1.2
；转速比超过0.4时，随着转速比的增加，阻力系数的离散程度增大。
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图 4 平均阻力系数随转速比的变化
Fig. 4 Variation of C D with k
从升阻力系数整体变化趋势和离散程度上来看，升力系数和阻力系数随转速比的整体变化规律均呈现出单调性，随着转速比提高，升力系数增加，阻力系数减小，同时升阻力系数的离散程
度也会随之增大；但是转速比改变了升力系数的变化幅度而对阻力系数没有明显影响。
2.2 转速对平均升阻比的影响
平均升阻比能够直观展示出升阻力系数的相对大小，是反映旋转圆柱气动力利用效率的重要参数参数，例如对于马格努斯风电机，升阻比的大小直接影响到风能利用率和最大工作风速
[16]
。
图5为平均升阻比随转速比的变化规律，其中平均升阻比定义为Rat =|C L /C D |。
图 5 平均升阻比随转速比的变化Fig. 5 Variation of Rat with k
从图5来看，在转速比不超过0.7时，随着转速比的提高，平均升阻比系数增加，升阻比系数增加幅度随转速比提高也会略有增大；对于转速比大于0.7时，平均升阻比系数分布较为离散，随转速比的增加没有明显的规律，且离散性较高的升阻比系数曲线仅在雷诺数小于9.34×104
时出现，由于缺少与之对比的升阻比系数，这里没有对转速比大于0.7的升阻比系数进行进一步讨论。值得注意地是，由于负阻力系数现象的存在，升阻比系数曲线实际上是不连续的，在转速比约为0.7时，阻力系数接近于0，如图5中阴影区域所示，在该区域旋转圆柱近乎不受到阻力作用，对于提高风能利用效率保证结构安全具有重要的意义。
2.3 转速对由旋涡脱落引起脉动升力的影响
脉动力是衡量气动力稳定性的重要指标，较高的脉动力通常伴随着振动现象的产生。旋转圆柱的脉动升力主要是由旋涡脱落所引起的，卓越频率对应的功率谱密度能够作为衡量旋涡脱落所引起脉动力大小的标准，如图6所示，给出了雷诺数为2.6×105
时的升力系数功率谱，横坐标fD /U 为无量纲频率，纵坐标定义为升力系数时程的功率谱密度(PSD)，图6中峰值对应的卓越频率为规
工 程 力 学91
则的旋涡脱落频率，功率谱密度的峰值大小对应着旋涡脱落的强度，随着转速的变化，功率谱密度的峰值会有所改变，图7给出了升力系数功率谱密度峰值随转速比的变化规律。
图 6 雷诺数为2.6×105的升力系数功率谱Fig. 6 Power spectrum of lift coefficient at Re=2.6×105
情况简报图 7 功率谱密度峰值随转速比的变化
Fig. 7 Variation of PSD max with k
从图7中能够注意到，在转速比k=0.05~0.1，随转速比的提高，功率谱密度不同程度增加，旋涡脱落强度提高；在转速比k=0.1~0.25，功率谱密度减小，旋涡脱落强度减弱；当转速比大于0.25时，功率谱密度受转速比影响较小，保持在较低水平，脉动力较小。在转速比k=0.05~0.25，不同雷诺数下功率谱密度变化规律存在显著差异，功率谱密度变化的离散程度很大，旋涡脱落强度不稳定，脉动力较大。
3 结论
bends本文通过刚性模型测力试验，研究了转速对旋转圆柱气动力特性的影响，主要得到以下结论：
(1)马格努斯效应是升力产生的主要机理，升阻力系数的变化主要受转速比影响：随着转速比提高，升力系数增加，阻力系数减小甚至出现负阻力现象，同时升力系数增加幅度变大，受转速比的影响程度提高，但是升阻力系数的离散程度也会增加，马格努斯效应在高转速下表现更不稳定。
(2)平均升阻比随转速比的变化规律可以分为两种模式：在转速比小于0.7的范围内，平均升阻比系数随转速比的提高而增加；当转速比超过0.7时，随转速比提高升阻比系数离散程度增大；而在转速比接
近0.7附近，阻力系数接近于0，对于抗风设计和风能转化率研究都具有重要的意义。
(3)当转速比不超过0.25时，功率谱密度的离散程度较高，旋涡脱落强度大；当转速比大于0.25时，功率谱密度保持在较低水平且离散程度很小，从应用的角度分析，气动力稳定性良好，脉动值较小，有很好的应用前景。
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