1、基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱PIV實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)摘要：為了形象具體地展現(xiàn)出基于Magnus效應(yīng)旋轉(zhuǎn)圓柱尾部流場(chǎng)變化情況，讓學(xué)生直觀地去理解學(xué)習(xí)Magnus效應(yīng)及 旋轉(zhuǎn)圓柱尾部流場(chǎng)渦從產(chǎn)生到消失的演化過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱PIV實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)采用 了先進(jìn)的粒子測(cè)速圖像技術(shù)(PIV),搭載于循環(huán)水池試驗(yàn)系統(tǒng)上，能夠研究來(lái)流速度、圓柱旋轉(zhuǎn)速度、圓柱類型等對(duì)圓柱 不同截面尾部流場(chǎng)變化的影響，并且通過(guò)尾部流場(chǎng)變化來(lái)分析旋轉(zhuǎn)圓柱的水動(dòng)力性能。通過(guò)形象具體的流場(chǎng)圖像激發(fā)學(xué)生 的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力，提高創(chuàng)新能力，為未來(lái)科研探索奠定良好的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：Magnus效應(yīng)；旋轉(zhuǎn)圓柱

2、；粒子測(cè)速圖像技術(shù)；流場(chǎng)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效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱具有十分廣泛的 工程實(shí)踐應(yīng)用1,早在17世紀(jì)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的圓柱或 圓球會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)而產(chǎn)生軌跡偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，包括旋 轉(zhuǎn)足球、網(wǎng)球、乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡以及步槍子彈 軌跡的偏差等。德國(guó)科學(xué)家Magnus在1852年詳 細(xì)描述了這一現(xiàn)象并且解釋了旋轉(zhuǎn)物體會(huì)軌跡偏 轉(zhuǎn)的原因，最后將這一現(xiàn)象命名為Magnus效應(yīng)。 Magnus效應(yīng)產(chǎn)生的原因就是物體在流體中旋轉(zhuǎn)， 當(dāng)物體一側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向與來(lái)流方向相同時(shí)，這一 側(cè)的流體流速就會(huì)加快；當(dāng)物體一側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向 與來(lái)流方向相反時(shí)，這一側(cè)的流體流速就會(huì)減

7、小，根據(jù)伯努利方程可知速度增大時(shí)壓強(qiáng)減小， 速度減小時(shí)壓強(qiáng)增大，旋轉(zhuǎn)物體會(huì)因?yàn)閮蓚?cè)流體 速度不同而產(chǎn)生一個(gè)和來(lái)流不同方向的壓力差， 這一壓力差也叫Magnus力，物體軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)正 是由這一壓力差引起的2。1924年，德國(guó)企業(yè)家Anton Fletter將兩個(gè)直 徑為3 m、高13 m的圓柱體裝在460噸的Buckau 號(hào)上，取代原船上的帆，借助圓柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的 Magnus力，成功地從漢堡橫渡大西洋到達(dá)紐約3。 20世紀(jì)20年代Magnus效應(yīng)還被應(yīng)用到發(fā)電機(jī)、 螺旋槳和轉(zhuǎn)柱舵。1970年英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)所 （NPL）首次公布了基于Magnus效應(yīng)的轉(zhuǎn)柱舵的相 關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，它能夠高效率實(shí)現(xiàn)對(duì)船

8、舶的操 縱3o文獻(xiàn)4將Magnus效應(yīng)應(yīng)用到水輪機(jī)上， 研究了影響其性能的主要因素，為潮流發(fā)電機(jī)提 供了選擇水輪機(jī)的依據(jù)。文獻(xiàn)5利用圓柱產(chǎn)生的 馬格努斯力來(lái)穩(wěn)定通風(fēng)機(jī)無(wú)人機(jī)。綜上可知基于 Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱的應(yīng)用十分廣泛，但如何 去研究基于Magnus效應(yīng)旋轉(zhuǎn)圓柱的水動(dòng)力性能是 一個(gè)值得思考的問(wèn)題，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì) 了基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱PIV實(shí)驗(yàn)教學(xué)平 臺(tái)，采用目前相對(duì)成熟的粒子測(cè)速圖像技術(shù)，從 尾部流場(chǎng)變化來(lái)分析旋轉(zhuǎn)圓柱的水動(dòng)力性能，為 工程實(shí)踐提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)6-9o PIV的工作原理是將 具有良好跟隨性和反光性的示蹤粒子均勻播撒在 水池中，然后將脈沖激光器的片光源投

9、射到流場(chǎng) 中的待測(cè)區(qū)域，利用示蹤粒子對(duì)光的散射作用， 用高頻相機(jī)拍攝脈沖激光器曝光時(shí)粒子的圖像， 經(jīng)過(guò)后處理從而得到流場(chǎng)圖。PIV的優(yōu)點(diǎn)主要是 在不干擾流場(chǎng)的情況下得到較為精準(zhǔn)的流場(chǎng)圖， 并且可以實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)瞬態(tài)測(cè)量。基于Magnus效應(yīng) 的旋轉(zhuǎn)圓柱PIV實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠得到流場(chǎng)的速 度矢量圖、流線圖和渦量圖等10-12，將旋轉(zhuǎn)圓柱 尾部流場(chǎng)中的渦在各個(gè)區(qū)間的演化過(guò)程形象具體 地向?qū)W生展示出來(lái)13o1基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱PIV實(shí)驗(yàn) 教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)以不同來(lái)流速度下的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)為例，介 紹基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱PIV實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。 1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸r實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪侵睆綖?.036 m

10、，長(zhǎng)為0.252 m 表面不同的圓柱，如圖1所示，從左往右依次為 光滑圓柱、仿生圓柱、方凸圓柱、截錐圓柱、螺 紋圓柱。實(shí)驗(yàn)工況表如表1所示。圖1實(shí)驗(yàn)圓柱模型表1實(shí)驗(yàn)工況表來(lái)流速度/（rmin1）轉(zhuǎn)速比旋轉(zhuǎn)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實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.2.1流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圓柱繞流實(shí)驗(yàn)是在哈爾濱工程大學(xué)三甲實(shí)驗(yàn) 室循

11、環(huán)水池中進(jìn)行的，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2和 圖3所示，循環(huán)水池試驗(yàn)段為矩形截面，尺寸為 1.7 m（寬）x1.5 m（高），流速由計(jì)算機(jī)控制，范圍 為 03 m/s。圖2循環(huán)水池圖3高頻相機(jī)1.2.2高頻相機(jī)和脈沖激光器及示蹤粒子 如圖3所示，高頻相機(jī)的相關(guān)參數(shù)有如下幾點(diǎn)。1）高頻相機(jī)：NAC Memrecam HX-6 ；2）采集芯片：1 280 pixelxl 000 pixel ；3）頻率：5 000 Hz；4）物距：500 mm。如圖4所示，脈沖激光器的相關(guān)參數(shù)有如下 幾點(diǎn)。1）激光類型：連續(xù)激光；2）激光功率：10 W；3）激光片光厚度：2 mm；4）功率不穩(wěn)定性：2%；5）激光波長(zhǎng)：53

12、2 nm。圖4激光器示蹤粒子相關(guān)參數(shù)有如下幾點(diǎn)。1）示蹤粒子：空心玻璃微珠；2）粒子直徑：44呻；3）粒子密度：1.03 g/cm3。1.2.3實(shí)驗(yàn)連接裝置旋轉(zhuǎn)圓柱由電機(jī)帶動(dòng)按設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，PIV 相機(jī)放置在水槽底部，位置在圓柱中心軸所在直 線稍后一點(diǎn)處，透過(guò)玻璃拍攝圓柱尾流場(chǎng)。圓柱 上半部由于接近假底會(huì)有反光現(xiàn)象，可能存在測(cè) 量誤差并影響拍攝效果，下部存在梢渦，也不利 于拍攝，所以激光片位置打在圓柱中下部穩(wěn)定 段。實(shí)驗(yàn)裝置布置圖如圖5所示。1.3實(shí)驗(yàn)流程基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱PIV實(shí)驗(yàn)的流程 包括以下幾個(gè)步驟：1）基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱PIV實(shí)驗(yàn)前 期準(zhǔn)備；2）在循環(huán)水池中通

13、過(guò)粒子播撒器均勻播撒充 足的示蹤粒子，能夠形成代替實(shí)際流場(chǎng)的均勻流 動(dòng)的粒子流場(chǎng)；3）對(duì)于相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定激光 器照射的位置以及相機(jī)拍攝的位置，確定圓柱的 位置；4）通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水池的流速 和圓柱的旋轉(zhuǎn)速度；5）激光器投射播撒在水中的粒子，利用粒子 反光特性從而得到旋轉(zhuǎn)圓柱尾部流場(chǎng)圖；6）通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)得到的圖像進(jìn)行預(yù)處 理，包括剪影、噪聲處理、掩脫技術(shù)和圖像增強(qiáng);7）最后通過(guò)PIVlab得到流場(chǎng)的速度矢量圖、 渦量圖等。圖5實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置結(jié)構(gòu)圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)得到的粒子流場(chǎng)圖像經(jīng)過(guò)一系列的處理, 最終得到雷諾數(shù)25 000光滑圓柱在相同脫落點(diǎn)不 同轉(zhuǎn)速比下的PIV渦

14、量圖，由如圖6圖8中的不 同轉(zhuǎn)速比渦量場(chǎng)對(duì)比得出，在轉(zhuǎn)速比越低的情況 下尾渦強(qiáng)度越高，在轉(zhuǎn)速比為1時(shí)呈現(xiàn)經(jīng)典的卡 門渦街形式，水流也沒(méi)有因?yàn)樾D(zhuǎn)圓柱的存在而 大范圍偏折，偏折主要集中在圓柱附近，而后隨 著渦的變化而偏折呈現(xiàn)明顯的振蕩，這個(gè)振蕩就 是主要的振動(dòng)源之一。而脫落的正負(fù)渦融合速度 較慢，復(fù)雜的周期性尾流現(xiàn)象突出。隨著轉(zhuǎn)速比的 提升，尾渦開(kāi)始逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速比達(dá)到2時(shí)， 尾流場(chǎng)不再體現(xiàn)出反復(fù)上下偏折的尾流。而當(dāng)轉(zhuǎn) 速比提高到3時(shí)，尾流漩渦幾乎消失。在轉(zhuǎn)速比 13范圍內(nèi)，抑制尾渦的演化主要原因是旋轉(zhuǎn)圓柱 對(duì)渦的裹挾能力決定的。當(dāng)轉(zhuǎn)速比提高時(shí)被裹挾 的負(fù)渦與另一面的正渦相互抵消，進(jìn)而不發(fā)生擴(kuò)

15、散。圖6轉(zhuǎn)速比為1時(shí)的渦量圖圖7轉(zhuǎn)速比為2時(shí)的渦量圖圖8轉(zhuǎn)速比為3時(shí)的渦量圖選取雷諾數(shù)25 000光滑與仿生圓柱在相同落 點(diǎn)處的PIV渦量圖，如圖9圖12所示。從圖中 可以看到，光滑圓柱的尾流渦量場(chǎng)更接近于渦激 振動(dòng)的形式，在正反面分別泄出正負(fù)渦，正負(fù)渦 間有較為明顯的過(guò)渡段，二者并不容易相融，各 自向尾部擴(kuò)散，圓柱尾流場(chǎng)整體呈現(xiàn)向上的流動(dòng) 偏折，從動(dòng)量角度來(lái)看這也是產(chǎn)生升力的主要原 因，向上偏折的尾流提供的反作用力使得圓柱獲 得方向向下的垂向力。仿生圓柱的尾流呈明顯的渦強(qiáng)削弱趨勢(shì)， 尤其正負(fù)渦發(fā)生了較快的融合，在轉(zhuǎn)速比為2.5時(shí) 尤其明顯，尾渦幾乎消失，尾流場(chǎng)附近的流域也 更為平順，僅存在較為明顯的向上偏折的水流。 由于尾渦抑制作用，仿生圓柱獲得了優(yōu)異的減震 效果。圖9轉(zhuǎn)速比為1.5時(shí)光滑圓柱渦量圖圖10轉(zhuǎn)速比為1.5時(shí)仿生圓柱渦量圖圖11轉(zhuǎn)速比為2.5