一种可变参数的带穿孔护罩柱体减阻装置及方法

技术领域

本发明涉及圆柱绕流减阻技术领域，特别涉及一种可变参数的带穿孔护罩柱体减阻装置及方法。

背景技术

圆柱绕流过程中涡流产生和演化是流动阻力、结构振动和噪声形成的重要原因，在现有流动控制方法中，通过分流板来改变尾迹结构，抑制涡脱落或减阻应用较为广泛。在减小阻力方面，有较多的学者受仿生学的启发研究了表面粗糙度对圆柱阻力的影响，研究表明，在圆柱表面布置肋条、凹坑、凸起等结构能显著降低其阻力。然而，仿生结构不仅对形状参数有较严格的要求，而且在工程应用上有较大的局限性。穿孔护罩被证明是一种有效抑制涡脱落的方式，同时能大幅度减少圆柱的振动。多孔介质涂层作为较新的被动控制方式，近年来逐渐成为研究热点，不过多孔介质材料的选取及其内部孔隙可能遭遇的阻塞对该种被动控制方式的有效寿命都是威胁。

对于圆柱绕流这一经典流体力学问题，针对其应用于工程实际中时存在的缺陷，探索一种更方便快捷的方式能够抑制涡脱落，减少其流动阻力具有实际意义，能够有效拓宽其工程应用范围，比如海洋工程中的运输管道、桥墩，高速列车的受电弓系统等基础形状都是圆柱体。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种基于流动状态的、可变参数的带穿孔护罩柱体减阻方案。

为了达到上述目的，本发明提供了一种可变参数的带穿孔护罩柱体减阻装置，包括圆柱体和穿孔护罩，所述穿孔护罩套设在所述圆柱体的外层，所述穿孔护罩与所述圆柱体共中心线设置，所述穿孔护罩相对于所述圆柱体全包覆，所述穿孔护罩包括外层护罩和内层护罩，所述外层护罩能够相对于所述内层护罩绕中心线旋转，所述外层护罩、所述内层护罩均开设有多个通孔，当所述外层护罩相对于所述内层护罩绕中心线旋转时，能够调整所述穿孔护罩整体的孔隙率。

进一步地，所述外层护罩与所述内层护罩之间设置孔隙调控组件，所述孔隙调控组件包括滚珠与保持体，所述滚珠安装在所述保持体的对应位置，且能够自由旋转，所述滚珠与所述外层护罩、所述内层护罩均滚动接触，所述外层护罩或所述内层旋转至预设角度后锁紧固定，以使所述穿孔护罩具有不同的孔隙率。

进一步地，所述滚珠具有不同的直径规格，以调整所述穿孔护罩的厚度，所述外层护罩、所述内层护罩也具有多种不同的直径规格，以调整所述穿孔护罩的外径和内径。

进一步地，所述内层护罩与所述圆柱体通过连接件连接，和/或所述内层护罩、所述圆柱体的端部均与支撑座连接。

进一步地，所述外层护罩、所述内层护罩上的通孔为均匀分布或不均匀分布。

进一步地，所述圆柱体的直径为D，所述穿孔护罩的外径为Ds，Ds/D的变化范围为1.2-2。

进一步地，圆柱体与穿孔护罩之间的间隙W，当W/D越大，穿孔护罩的厚度越小时，总阻力越小，减阻率越大。

本发明还提供了一种可变参数的带穿孔护罩柱体减阻方法，应用于如前所述的一种可变参数的带穿孔护罩柱体减阻装置，Ds/D保持为1.25，对不同工况下的无量纲化间隙W/D与阻力系数关系进行拟合得到关系式y＝-8.9955x+1.902，其中y为总阻力，x为穿孔护罩与圆柱体的间隙。

本发明还提供了一种可变参数的带穿孔护罩柱体减阻方法，应用于如前所述的一种可变参数的带穿孔护罩柱体减阻装置，阻力系数与雷诺数拟合曲线满足y＝-0.089lnx+1.869，其中x为雷诺数，y为阻力系数，在雷诺数2×10

当雷诺数位于2×10

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的可变参数的带穿孔护罩柱体减阻装置及方法，通过在圆柱体外层设置穿孔护罩，实现“1+1＞2”的效果，内部的圆柱体与外部的穿孔护罩视为一个有机体，与光滑圆柱体相比，二者的总阻力降低，振动减小，与改变圆柱体本身形态相比，穿孔护罩易制造、易获取、易安装，具有较高的工程可行性；圆柱体通过穿孔护罩包围后，其后侧分离区长度明显增大，涡脱落抑制效果显著，致使圆柱体背风侧压力升高，阻力减小；同时，应用穿孔护罩可以稳定圆柱体后侧的流动分离，升力波动大幅度降低，达到明显减振的效果；本发明进一步探讨了穿孔护罩尺寸等参数、孔隙率改变等方式对整体减阻效果的影响，依靠数值仿真进行论证，得到了相应的规律，对穿孔护罩的设计具有指导作用；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的孔隙调控组件示意图；

图3为本发明的整体结构侧视图(仿真模型)；

图4为本发明的不同间隙带穿孔护罩压力对比图，其中(a)为W/D＝0.1，(b)为W/D＝0.12；

图5为本发明的模型在x-y平面涡结构示意图(W/D＝0.12)；

图6为本发明的阻力系数随间隙变化规律图。

【附图标记说明】

1-圆柱体；2-穿孔护罩；3-外层护罩；4-内层护罩；5-通孔；6-滚珠；7-保持体。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种可变参数的带穿孔护罩柱体减阻装置，包括圆柱体1和穿孔护罩2，穿孔护罩2套设在圆柱体1外部且与圆柱体1共心设置、即两者的中心线重合，且穿孔护罩2相对于圆柱体1是360度包覆的。其中，穿孔护罩2为双层结构，包括外层护罩3和内层护罩4，外层护罩3(内侧护罩4)能够相对于内层护罩4(外层护罩3)绕中心线旋转。外层护罩3、内层护罩4均开设有多个通孔5，因此外层护罩3、内层护罩4均具有一定的孔隙率，且外层护罩3、内层护罩4的通孔是一一对应的(当然也可以部分对应等方式)，因此当外层护罩3相对于内层护罩4绕中心线旋转时，可以调整、控制穿孔护罩2整体的孔隙率。

需要说明的是，本实施例中对于穿孔护罩2的孔隙率，定义为穿孔护罩2开孔面积与总表面积之比。

在本实施例中，D为圆柱体1的直径，Ds为穿孔护罩2的外径。图2所示为孔隙调控组件，其安装于穿孔护罩2的一端。具体来说，孔隙调控组件包括滚珠6与保持体7，滚珠6安装在保持体7的对应位置，且能够自由旋转。整个孔隙调控组件位于外层护罩3与内层护罩4之间，整体形成类似滚珠轴承的形式。因此，外层护罩3能够相对于内层护罩4旋转，且其旋转至一定角度后可以通过锁扣固定等，从而使穿孔护罩2具有不同的孔隙率。

其中，通过改变滚珠6的大小可以调节穿孔护罩2的厚度T，以及Ds/D等。当然，此时外层护罩3、内层护罩4等的尺寸也需要适应性调整。

需要说明的是，实际应用时穿孔护罩2与圆柱体1之间的位置需要稳定，因此可以采用连接件将穿孔护罩2的内层护罩与圆柱体1之间连接固定。连接件可以为连接杆，设置多个并环绕圆心分布，以使连接稳固、且各个方向的强度一致。当然，还可以将穿孔护罩2整体与圆柱体1套接后，穿孔护罩2的内圈、圆柱体1的端部与支撑座均固定，从而让穿孔护罩2的内圈相对于圆柱体1之间维持位置稳定性，而穿孔护罩2的外圈则与支撑座活动连接，调整后采用锁扣锁紧的方式。

图3所示为本方案的侧视图，展向长度为πD/2，内部的圆柱体1与外部的穿孔护罩2在数值仿真与实际应用时都视为一个整体。需要说明的是，穿孔护罩2上的通孔5可以均匀分布，也可以不均匀分布，基于强度以及加工因素考虑，采用均匀分布的方式更佳。

本方案区别于现有的圆柱体1被动流动控制方法(主要是指对圆柱体1表面形式进行改变)，在圆柱体1外层设置穿孔护罩2，实现“1+1＞2”的效果，内部的圆柱体1与外部的穿孔护罩2视为一个有机体，与光滑圆柱体1相比，二者的总阻力降低，振动减小。与改变圆柱体1本身形态相比，穿孔护罩2易制造、易获取、易安装，具有较高的工程可行性。圆柱体1通过穿孔护罩2包围后，其后侧分离区长度明显增大，涡脱落抑制效果显著，致使圆柱体1背风侧压力升高，阻力减小。同时，应用穿孔护罩2可以稳定圆柱体1后侧的流动分离，升力波动大幅度降低，达到明显减振的效果。

以下通过具体案例进一步说明本方案的效果，通过构造带穿孔护罩2的圆柱体1模型，采用基于Smagorinsky亚网格模型的大涡模拟(LES)对其进行数值仿真，初步预计带来最高33％的减阻效果及减振95％以上，并且圆柱体1绕流尾流区得到延长，抑制涡脱落效果显著。通过改变穿孔护罩2的厚度，让Ds/D保持不变为1.25，穿孔护罩2的厚度T为变化量，变化范围为0.001D-0.05D，对应于内部圆柱体1与穿孔护罩2之间的间隙W变化范围为0.075D-0.124D(具体算例中，W分别为0.1D、0.105D、0.11D、0.115D、0.12D，所对应的穿孔护罩2厚度分别为0.625mm，0.5mm，0.375mm，0.25mm，0.125mm)。

由压力对比图表(图4、表1)可以看出，当间隙W/D＝0.12时，穿孔护罩的抑制效果更优，其中，W/D＝0.12时模型在x-y平面涡结构如图5所示。

表1不同间隙带穿孔护罩柱体阻力系数

经过进一步测试，探讨圆柱体1与穿孔护罩2之间的间隙W与阻力系数之间的规律，当Ds/D保持为1.25，不同间隙W下的阻力系数见表1。其中，未加穿孔护罩2控制的光滑圆柱体1的阻力系数约为1.24。当间隙为0.1D时，减阻率为18％；当间隙为0.105D时，减阻率为23％；当间隙为0.11D时，减阻率为27％；当间隙为0.115D时，减阻率为31％；当间隙为0.12D时，减阻率为33％。对不同工况下的无量纲化间隙(W/D)与阻力系数关系进行拟合，得到关系式y＝-8.9955x+1.902，其中y为总阻力，x为穿孔护罩2与圆柱体1的间隙，如图6所示。因此可以得到减阻规律，当间隙(W/D)越大，穿孔护罩2越薄时，减阻装置的总阻力越小，即减阻率越大，当间隙(W/D)为0.12，厚度为0.005D时，减阻率达到了33％。在实际应用中，保持结构强度的前提下，穿孔护罩2的厚度可以保持为0.005D或更小，可以获得良好的减阻效果。

经过测试，Ds/D的变化范围最好为1.2-2，该值太大或太小均不利于穿孔护罩2的减阻效果。并且，孔隙率在20％-50％之间时，孔径最好保持为0.125D，缩小孔径不利于穿孔护罩2的减阻；当孔隙率大于50％时，减阻装置的总阻力略微减小。当然，实际应用时孔隙率的选择应基于强度与加工因素等综合考虑。

另外需要说明的是，通孔5的均匀分布与不均匀分布不影响穿孔护罩2的减阻效果。

同时，本实施例中对于亚临界区雷诺数，雷诺数的定义为Re＝ρU

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。