钝体

流体力学术语

在流体力学中，钝体（bluff body）就是非流线体，如圆柱、球、桥墩和汽车等等。钝体有较大的甚至压倒优势的压差阻力，由于压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，因此，压差阻力又称为形状阻力。由于大多数工程结构对风表现为钝体形状，所以风工程的研究重点是钝体空气动力学。

研究来源

空气动力学所包含的内容非常广泛，最初推动这一学科发展的巨大动力，来源于20世纪初人们想要飞的愿望。从那时起大规模的航空航天研究，以及对具有内流的机械（如喷气发动机、泵和涡轮机）所开展的研究与改进，一直在丰富着空气动力学。此外，30多年来，空气动力学在土木工程中的应用也取得新的进展，这类问题涉及的是自然风，所以主要局限于低速、不可压缩的流动现象。在应用中，空气动力学还与气象学紧密结合，特别是近地大气边界层的湍流流动。由于大多数工程结构对风表现为钝体形状，所以风工程的研究重点是钝体空气动力学。

简介

流线体是前圆后尖、表面光滑、略像水滴的形状。具有这种形状的物体在流体中运动时，流体沿物体的轮廓流动，基本不产生分离和尾流，因而受到的阻力最小。钝体是相对于流线体而言的，钝体即非流线体，在其边界上会形成流动分离，后部会产生宽阔的尾流，并伴有旋涡脱落现象（可能是周期性或非周期性）。钝体空气动力学源自于流体力学，因此其运动描述方法和控制方程与流体力学是一致的。

绕流现象

边界层与流动分离

在正常气压和气温下，空气的黏性很小，尽管如此，黏性对于空气流动的影响仍十分显著，特别是在靠近物体表面的区域。由于空气的黏性效应，与物体表面接触的空气贴附在物体表面，它将减慢靠近物体表面的一层空气的运动，这一空气层就称为边界层。与大气边界层中的平均风剖面类似，在边界层内，气流的速度从物体表面上为零（即无滑动）逐渐增大到边界层外的气流速度。实际上，大气边界层就是一个典型的物体边界层例子。边界层是空气黏性效应的一个重要表现。

如果边界层内的流体微粒速度因惯性力减小到使靠近物体表面的气流倒流，便出现了边界层分离。这种减速效应是因为气流中存在逆压梯度，当这种逆压梯度很大时，就会引起流动分离，例如钝体拐角的绕流就能产生这样大的逆压梯度。分离层形成离散的旋涡，并脱落到钝体后方的气流中（图1），这些旋涡使得分离点（如拐角或房檐等）附近出现非常大的吸力。

雷诺数效应

由于空气具有质量，根据牛顿第二定律（或N-S方程），空气除了具有黏性力外还具有惯性作用，即气流中影响最大的两个作用是黏性和惯性作用，它们的相互关系成为确定可能出现哪种类型流动特性或现象的判据，这个判据可表示为无量纲参数，即雷诺数Re，它代表了流体内的惯性力与黏性力之比。对于表面特征尺寸为 L 的某一体积气流，作用在其微团上的黏性应力可由边界层内的速度变化梯度来确定，可近似表示为μU/L，其中μ是空气的黏性系数，根据Bernoulli方程，对于速度为U的流体，惯性力近似用ρU2。来表示，这里ρ为空气密度。于是雷诺数可表示为

其中ν=μ/ρ为空气的分子运动黏性系数（简称动黏性系数），表征了由层流流体各层之间的分子运动所引起黏性力的大小。Re较大时，惯性效应起主要作用，反之则黏性效应起主要作用。

下面以圆柱体为例说明雷诺数对钝体绕流的影响。如图2所示，在层流流场中，随着雷诺数从低逐渐变高，圆柱体绕流会出现多种不同的流动形态。当雷诺数很低时（Re≈1），流体将对称地附着在整个圆周上（图2（a））。当Re≈20时，绕流形态仍是对称的，但在背风侧出现了流动分离，并形成一对始终停留在圆柱体背风侧表面附近的大旋涡（图2（b））。

当30≤Re≤5×103时，旋涡将在圆柱体两侧交替脱落，并在下游形成一条清晰稳定、交错排列的“涡迹”或“涡街”（图2（c）），这些交错排列的旋涡以略低于周围流体的速度向下游移动。由于该现象最早由冯·卡门（Von Karman）发现并解，因此被称为卡门涡街。在这一雷诺数范围内，除了旋涡本身外，圆柱体后的尾流是比较平滑而规则的，流动虽然是非定常的，但基本上可认为是层流。当雷诺数继续升高到5×1035范围内时，规则的卡门涡街消失，分离点上游的附着流仍是层流，但在分离点处可观察到三维流动；尾流由层流向湍流过渡，随着雷诺数的升高，分离点也逐步向上游移动，尾流的宽度逐步增加，尾流中层流向湍流的过渡部位从离圆柱较远的下游处逐步靠近圆柱体表面，尾流的紊乱程度也逐步增加。当雷诺数接近临界点（约3×105）时，分离点位于圆柱两侧的边缘（图2（d）中的A和B两点），此时尾流宽度相当大，超过了圆柱体的直径，而旋涡的脱落仍是有规律的。

当雷诺数超过临界点（约3×105）后，流动分离点突然迁移到下游（从图2（d）中的A和B两点分别迁移到从图2（e）中的A’和B’两点），使得尾流变窄（因而阻力下降），同时旋涡的脱落也变得相当随机而无规律。3×105～5×105雷诺数范围对应了圆柱表面边界层（附着流）内发生层流向湍流过渡的状态。当雷诺数超过约3.5×105后，虽然尾流仍然十分紊乱，旋涡脱落又变得颇有规律。

分解研究

根据湍流相干结构和非相干结构不相关的特性，提出了一种钝体尾流双重小波包分解的新算法，将湍流的运动分解成相干分量和非相干分量。该算法以湍流相干分量和非相干分量的相关系数作为迭代的控制指标，减小了过去算法中的随意性。用该算法对大长宽比的钝体尾流三维超声波流速仪测量数据的分析表明：1.钝体间距与宽度之比大于4时，钝体间的相互影响可以忽略不计；2.流线型的钝体尾流紊动强度较小。

研究概述

钝体尾流最显著的特点是绕流体后缘旋涡的周期性脱落，形成卡门涡街。受卡门涡街的影响，绕流体表面的压力也会发生周期性变化，当绕流体表面压力变化频率与绕流体的固有频率接近时，会发生共振，从而引起绕流体的破坏，在水利工程中，常见的如电站尤其是抽水蓄能电站拦污栅的破坏。因此，研究钝体尾流的形成机理、结构特征有十分重要的工程应用价值。从流动特点来看，卡门涡街是湍流中一种典型的相干结构，对这类流动的深入分析既可深化人们对湍流的认识，又有利于湍流模型的发展。

Hussain在20世纪80年代对湍流中的相干结构进行了全面的评述，并提出了湍流场的双重分解（即将湍流分量分解成相干分量和内禀分量）和三重分解（将湍流物理量分解成时均分量、相干分量和内禀分量）。在试验研究中，过去普遍采用条件采样技术和相平均方法提取湍流中的相干结构。随着小波分析的发展，小波分析已成为湍流相干结构分析的一个极其重要的工具。Siegel和Weiss采用小波包算法提取和分析湍流的涡量结构和特征，Chainais等根据相干结构内压力的变化特性，用小波变换研究了旋涡流动中的湍流间歇特性和相干结构，Li提出了一种小波相关分析方法并用其研究了剪切湍流的相干结构，李栎等用小波分析研究了平壁湍流猝发现象。

该研究提出了一种分析钝体尾流的双重小波分解算法，并深入分析了钝体前后缘对钝体尾迹流特性的影响。

研究结论

该研究提出了一种提取钝体尾流相干运动的小波包分解迭代算法，并引入一无量纲参数，即湍流相干分量与非相干分量间的相关参数，作为迭代的控制指标，从而减小了分解算法的随意性。该方法可以推广应用于其它类型湍流的多尺度分析及湍流特性分析。

针对电站拦污栅尾流特性，用该算法分析了5种柱体尾流实验数据，结果表明：1）当栅叶间距与栅叶宽度之比大于4时，栅叶间的相互影响可以忽略不计；2）流线型栅叶尾流的紊动强度很小，在拦污栅设计时应优先采用。

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省

临沧市

云南省

丽江市

云南省