基于Magnus效应的旋转圆柱PIV实验平台设计

1、基于Magnus效应的旋转圆柱PIV实验平台设计摘要：为了形象具体地展现出基于Magnus效应旋转圆柱尾部流场变化情况，让学生直观地去理解学习Magnus效应及 旋转圆柱尾部流场涡从产生到消失的演化过程，设计了一种基于Magnus效应的旋转圆柱PIV实验教学平台。该平台采用 了先进的粒子测速图像技术(PIV),搭载于循环水池试验系统上，能够研究来流速度、圆柱旋转速度、圆柱类型等对圆柱 不同截面尾部流场变化的影响，并且通过尾部流场变化来分析旋转圆柱的水动力性能。通过形象具体的流场图像激发学生 的学习兴趣，培养动手能力，提高创新能力，为未来科研探索奠定良好的基础。关键词：Magnus效应；旋转圆柱

2、；粒子测速图像技术；流场Design of PIV Experiment Platform for RotatingCylinder Based on Magnus EffectAbstract: In order to visually show the changes in the tail flow field of the rotating cylinder based on the Magnus effect, let students visually understand and study the Magnus effect and the evolution process

3、of the tail flow field vortex of the rotating cylinder from the generation to the disappearance, a particle image velocimeter (PIV) experiment teaching platform for rotating cylinder based on the Magnus effect is designed. The platform adopts advanced PIV technology and is mounted on a circulating t

4、ank test system. It can be used to study the influence of the inflow speed, cylinder rotation speed, cylinder type on the change of the tail flow field of different cross-sections of the cylinder, and analyze the hydrodynamic performance of a rotating cylinder through the changes in the tail flow fi

5、eld. The purpose of this experimental platform is to stimulate students interest in learning through vivid and specific images of the flow field, cultivate their hands-on ability, improve their innovation ability, and lay a good foundation for future scientific research and exploration.Key words: Ma

6、gnus effect; rotating cylinder; PIV; flow field基于Magnus效应的旋转圆柱具有十分广泛的 工程实践应用1,早在17世纪发现旋转的圆柱或 圆球会因为旋转而产生轨迹偏转的现象，包括旋 转足球、网球、乒乓球的运动轨迹以及步枪子弹 轨迹的偏差等。德国科学家Magnus在1852年详 细描述了这一现象并且解释了旋转物体会轨迹偏 转的原因，最后将这一现象命名为Magnus效应。 Magnus效应产生的原因就是物体在流体中旋转， 当物体一侧的旋转方向与来流方向相同时，这一 侧的流体流速就会加快；当物体一侧的旋转方向 与来流方向相反时，这一侧的流体流速就会减

7、小，根据伯努利方程可知速度增大时压强减小， 速度减小时压强增大，旋转物体会因为两侧流体 速度不同而产生一个和来流不同方向的压力差， 这一压力差也叫Magnus力，物体轨迹发生偏转正 是由这一压力差引起的2。1924年，德国企业家Anton Fletter将两个直 径为3 m、高13 m的圆柱体装在460吨的Buckau 号上，取代原船上的帆，借助圆柱旋转产生的 Magnus力，成功地从汉堡横渡大西洋到达纽约3。 20世纪20年代Magnus效应还被应用到发电机、 螺旋桨和转柱舵。1970年英国国家物理实验所 （NPL）首次公布了基于Magnus效应的转柱舵的相 关试验数据，它能够高效率实现对船

8、舶的操 纵3o文献4将Magnus效应应用到水轮机上， 研究了影响其性能的主要因素，为潮流发电机提 供了选择水轮机的依据。文献5利用圆柱产生的 马格努斯力来稳定通风机无人机。综上可知基于 Magnus效应的旋转圆柱的应用十分广泛，但如何 去研究基于Magnus效应旋转圆柱的水动力性能是 一个值得思考的问题，针对这个问题，本文设计 了基于Magnus效应的旋转圆柱PIV实验教学平 台，采用目前相对成熟的粒子测速图像技术，从 尾部流场变化来分析旋转圆柱的水动力性能，为 工程实践提供实验依据6-9o PIV的工作原理是将 具有良好跟随性和反光性的示踪粒子均匀播撒在 水池中，然后将脉冲激光器的片光源投

9、射到流场 中的待测区域，利用示踪粒子对光的散射作用， 用高频相机拍摄脉冲激光器曝光时粒子的图像， 经过后处理从而得到流场图。PIV的优点主要是 在不干扰流场的情况下得到较为精准的流场图， 并且可以实现全流场瞬态测量。基于Magnus效应 的旋转圆柱PIV实验教学平台能够得到流场的速 度矢量图、流线图和涡量图等10-12，将旋转圆柱 尾部流场中的涡在各个区间的演化过程形象具体 地向学生展示出来13o1基于Magnus效应的旋转圆柱PIV实验 教学平台设计以不同来流速度下的旋转圆柱实验为例，介 绍基于Magnus效应的旋转圆柱PIV实验教学平台。 1.1实验模型和工况实验模型是直径为0.036 m

10、，长为0.252 m 表面不同的圆柱，如图1所示，从左往右依次为 光滑圆柱、仿生圆柱、方凸圆柱、截锥圆柱、螺 纹圆柱。实验工况表如表1所示。图1实验圆柱模型表1实验工况表来流速度/（rmin1）转速比旋转速度遮/（min-1）0.69413680.69427370.69439210.86114570.86129140.86131 3701.04215531.04221 1061.04231 6581.38917371.38921 4741.38932 2111.77819431.77821 8871.77832 8301.2实验设备1.2.1流场结构圆柱绕流实验是在哈尔滨工程大学三甲实验 室循

11、环水池中进行的，具体实验设备如图2和 图3所示，循环水池试验段为矩形截面，尺寸为 1.7 m（宽）x1.5 m（高），流速由计算机控制，范围 为 03 m/s。图2循环水池图3高频相机1.2.2高频相机和脉冲激光器及示踪粒子 如图3所示，高频相机的相关参数有如下几点。1）高频相机：NAC Memrecam HX-6 ；2）采集芯片：1 280 pixelxl 000 pixel ；3）频率：5 000 Hz；4）物距：500 mm。如图4所示，脉冲激光器的相关参数有如下 几点。1）激光类型：连续激光；2）激光功率：10 W；3）激光片光厚度：2 mm；4）功率不稳定性：2%；5）激光波长：53

12、2 nm。图4激光器示踪粒子相关参数有如下几点。1）示踪粒子：空心玻璃微珠；2）粒子直径：44呻；3）粒子密度：1.03 g/cm3。1.2.3实验连接装置旋转圆柱由电机带动按设计转速旋转，PIV 相机放置在水槽底部，位置在圆柱中心轴所在直 线稍后一点处，透过玻璃拍摄圆柱尾流场。圆柱 上半部由于接近假底会有反光现象，可能存在测 量误差并影响拍摄效果，下部存在梢涡，也不利 于拍摄，所以激光片位置打在圆柱中下部稳定 段。实验装置布置图如图5所示。1.3实验流程基于Magnus效应的旋转圆柱PIV实验的流程 包括以下几个步骤：1）基于Magnus效应的旋转圆柱PIV实验前 期准备；2）在循环水池中通

13、过粒子播撒器均匀播撒充 足的示踪粒子，能够形成代替实际流场的均匀流 动的粒子流场；3）对于相关测量系统进行标定，标定激光 器照射的位置以及相机拍摄的位置，确定圆柱的 位置；4）通过计算机调速器来调节循环水池的流速 和圆柱的旋转速度；5）激光器投射播撒在水中的粒子，利用粒子 反光特性从而得到旋转圆柱尾部流场图；6）通过计算机软件对得到的图像进行预处 理，包括剪影、噪声处理、掩脱技术和图像增强;7）最后通过PIVlab得到流场的速度矢量图、 涡量图等。图5实验设备布置结构图2实验结果分析实验得到的粒子流场图像经过一系列的处理, 最终得到雷诺数25 000光滑圆柱在相同脱落点不 同转速比下的PIV涡

14、量图，由如图6图8中的不 同转速比涡量场对比得出，在转速比越低的情况 下尾涡强度越高，在转速比为1时呈现经典的卡 门涡街形式，水流也没有因为旋转圆柱的存在而 大范围偏折，偏折主要集中在圆柱附近，而后随 着涡的变化而偏折呈现明显的振荡，这个振荡就 是主要的振动源之一。而脱落的正负涡融合速度 较慢，复杂的周期性尾流现象突出。随着转速比的 提升，尾涡开始逐渐减小，当转速比达到2时， 尾流场不再体现出反复上下偏折的尾流。而当转 速比提高到3时，尾流漩涡几乎消失。在转速比 13范围内，抑制尾涡的演化主要原因是旋转圆柱 对涡的裹挟能力决定的。当转速比提高时被裹挟 的负涡与另一面的正涡相互抵消，进而不发生扩

15、散。图6转速比为1时的涡量图图7转速比为2时的涡量图图8转速比为3时的涡量图选取雷诺数25 000光滑与仿生圆柱在相同落 点处的PIV涡量图，如图9图12所示。从图中 可以看到，光滑圆柱的尾流涡量场更接近于涡激 振动的形式，在正反面分别泄出正负涡，正负涡 间有较为明显的过渡段，二者并不容易相融，各 自向尾部扩散，圆柱尾流场整体呈现向上的流动 偏折，从动量角度来看这也是产生升力的主要原 因，向上偏折的尾流提供的反作用力使得圆柱获 得方向向下的垂向力。仿生圆柱的尾流呈明显的涡强削弱趋势， 尤其正负涡发生了较快的融合，在转速比为2.5时 尤其明显，尾涡几乎消失，尾流场附近的流域也 更为平顺，仅存在较为明显的向上偏折的水流。 由于尾涡抑制作用，仿生圆柱获得了优异的减震 效果。图9转速比为1.5时光滑圆柱涡量图图10转速比为1.5时仿生圆柱涡量图图11转速比为2.5