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摘要 表面圆柱形突体水力特性的试验研究与数值模拟 摘要 在高坝泄水建筑物中会遇到常见的高速水流问题，如空化空蚀、 掺气、脉动振动、消能防冲等。尤其在溢流坝、泄洪洞、陡槽等泄洪 建筑物中，当水流速度达到一定程度时，水流压强低于相应的饱和蒸 汽压强，产生空化现象。空穴流由低压区流到压力升高区便会产生空 蚀破坏。当空化现象不可避免时，为了减免高速水流空化产生的空蚀 破坏，经济而有效的措施是在低压空化区或在易发生空蚀部位上游设 置掺气设施强迫掺气。在泄水建筑物施工中，过流壁面常会形成圆柱 形突体、升坎、跌坎、凹槽、三角形突体及蜂窝等不平整突体。泄水 建筑物的运行实践表明，即使过流壁面上仅残留几毫米的不平整突体， 亦会引起砼表面大范围的空蚀破坏。首先，本文针对突体引发空化现 象的国内外研究现状和发展动态作了比较全面的回顾；其次，本文重 点对由圆柱形突体引发空化的水力特性进行探讨，在直流式水洞中利 用三维粒子图像测速仪( p i v ) 对其进行了初步试验研究，通过测量两 种不同高度不锈钢试件在不同掺气浓度条件下空化区的流速分布，探 讨掺气量与速度场分布的关系；最后，本文针对泄水建筑物过流壁面 中的圆柱形突体周围流场进行数值模拟，模拟不同高度圆柱形突体以 及不同掺气浓度对空化区域内流动特性的影响，给出瞬时流速场和压 力场，并与p i v 实测结果进行了比较，结果表明，数值模拟与实测值 总体上吻合较好，能较好地模拟因表面圆柱形突体引发的空化现象。 关键词：空化，圆柱形突体，掺气浓度，p i v ，数值模拟 浙江工业人学硕1 ：学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s a r o u n ds u r f a c ec y l i n d r i c a lp r o t r u s i o n s a b s t r a c t s o m ep r o b l e m so fh i g h v e l o c i t yf l o wa r eo f t e ne n c o u n t e r e dw h e n r e l e a s e df r o mt h e s eh i g hd a m s ，s u c ha sc a v i t a t i o n ，a e r a t i o n ，f l u c t u a t i o n ， v i b r a t i o n ，e n e r g yd i s s i p a t i o ne t c e s p e c i a l l yi ns p il l w a yd a m s ，s p i l l w a y t u n n e l sa n dc h u t es p i l l w a y so fh i g h h e a dd i s c h a r g es t r u c t u r e s ，c a v i t a t i o n p h e n o m e n a w i l lo c c u rw h i l ef l o wv e l o c i t yr e a c h e sac e r t a i nv a l u ea n df l o w p r e s s u r ei s l o w e rt h a nt h er e l e v a n ts a t u r a t e dv a p o rp r e s s u r e c a v i t a t i o n e r o s i o na r i s e sf r o mt h ec a v i t yf l o wf r o mu n d e r p r e s s u r et oh i g h e rp r e s s u r e 、 a sc a v i t a t i o np h e n o m e n o ni si n e v i t a b l e ，i no r d e rt op r e v e n tt h ee r o s i o nd u e t ot h ec a v i t a t i o ni nh i g h v e l o c i t yf l o w , a ne c o n o m i ca n de f f e c t i v em e a s u r e i st os e tu pa e r a t o r sf o r g e n e r a t i n g f o r c e da e r a t i o ni nu n d e r p r e s s u r e c a v i t a t i o nr e g i o n so ru p p e rl o c a t i o n sl i a b l et oc a v i t a t i o ne r o s i o n s u r f a c e i r r e g u l a r i t i e ss u c ha so f f s e t i n t of l o w , o f f s e ta w a yf r o mf l o w , c y l i n d r i c a l p r o t r u s i o n ，a n dt r i a n g u l a rp r o t r u s i o no nt h es u r f a c eu s u a l l ye x i s tu n d e rt h e c o n s t r u c t i o no fo u t l e tw o r k s t h eo p e r a t i o np r a c t i c eo fo u t l e tw o r k ss h o w e d t h a tl a r g e s c a l ec a v i t a t i o nd a m a g ew o u l do c c u re v e ni ft h e r ee x i s t e das l i g h t s u r f a c ei r r e g u l a r i t yo fo n l yaf e wm i l l i m e t e r so nt h eo v e r f l o ws u r f a c e f i r s t l y , ac o m p r e h e n s i v er e v i e wa n dap r o g r e s si nc a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fh i g hv e l o c i t yf l o wo v e ras u r f a c e c y l i n d r i c a lp r o t r u s i o n ；s e c o n d l y , t h r e e d i m e n s i o n a lp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r yh a sb e e nu s e dt os t u d yt h e f l o wf i e l do fh i g h v e l o c i t yf l o w so v e rs u r f a c ei r r e g u l a r i t y - - c y l i n d r i c a l 浙江t 业人学硕_ t ：学位论文a b s t r a c t p r o t r u s i o n s b ym e a s u r i n gt h ef l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no v e rt w o d i f f e r e n t h e i g h t so fs t a i n l e s ss t e e ls p e c i m e n si nc a v i t a t i o nr e g i o nw i t hd if f e r e n ta i r c o n c e n t r a t i o n s ，t h er e l a t i o nb e t w e e ne n t r a i n e da i rr a t ea n df l o wv e l o c i t y w a si n v e s t i g a t e d f i n a l l y ，t h i st h e s i sp r e s e n t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb o t h h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lt w o d i m e n s i o n a lf l o wf i e l d sa r o u n dc y l i n d r i c a l p r o t r u s i o n so no v e r f l o ws u r f a c eo ff l o o dr e l e a s es t r u c t u r e s e f f e c t so f c y l i n d r i c a lp r o t r u s i o n s w i t hd i f f e r e n t h e i g h t s a n dd i f f e r e n ta i r c o n c e n t r a t i o n so nf l o wc h a r a c t e r i s t i c si nc a v i t a t i o nr e g i o nw e r ec o n s i d e r e d v e l o c i t ya n dp r e s s u r ep r o f i l e si nh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lt w o d i m e n s i o n a l f l o w sw e r eo b t a i n e d ，a n dac o m p a r i s o nw i t ht h ep i vm e a s u r e dd a t aw a s m a d e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e a s o n a b l ya g r e ew e l l w i t he x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：c a v i t a t i o n ，c y l i n d r i c a lp r o t r u s i o n s ，a e r a t i o n ，p i v ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 浙江工业人学硕士学位论文符廿说明 符号说明 突体高度 d 流速 f 掺气浓度 对应不同掺气量时的进水流速 up i v 实测各个点的纵向流速 i t p i v 实测各个点的垂向流速 p i v 实测各个点的横向流速 yp i v 测点的具体计算位置，垂向剖面具体位置 xp i v 测点的具体计算位置，纵向剖面具体位置 zp i v 测点的具体计算位置，水平二维垂向剖面具体位置 工作段的垂直高度 工作段的纵向长度 w 工作段的横向宽度 k p a 压力值 q 。空压机提供实际空气流量 q 。工作段水流流量 胎雷诺数 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：鸯吃嘴 日期：2 巾2 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密财。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 鸯既，鹕 孳缈 日期： 日期： 年2 月z 日 年彦月夕f 日 ，咯 扩 矿 浙江t 业人学硕i j 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1表面圆柱形突体水力特性的研究背景及意义 在高坝泄水建筑物中会遇到常见的高速水流问题，如空化空蚀、掺气、脉动 振动、消能防冲等，同时在泄水建筑物施工中，过流壁面常会形成圆柱形突体、 升砍、跌砍、凹槽、三角形突体及蜂窝等不平整突体。所谓不平整度，是指水工 泄水建筑物过流固壁局部表面与设计要求不相符合的程度，包括局部粗糙面，模 板接缝、错台、坑槽、歪斜与弯曲等施工误差和施工后残留的各种突出物所形成 的不平整突体。 我们知道，当液体流经局部区域时，若其压强低于某一临界值，液体也会发 生空化。在低压区空化的水流挟带着大量的空泡形成两相流，而在水流流经下游 压强较高的区域时，空泡又将溃灭，因此空化现象包括空泡的发生、发育和溃灭， 其为一非恒定过程。空泡溃灭的过程中将会产生极大的压强，其值可高达几千个 大气压。当空泡的溃灭出现在紧靠边壁或距边壁某一距离范围内，固体边壁将受 到持续不断的冲击作用，造成材料的断裂或疲劳破坏而发生剥蚀，造成空蚀现象 的发生。剥蚀掉的材料颗粒或碎屑被水流冲走以后，固壁表面将形成凹坑。对于 混凝土与岩石构成的固壁，随着空蚀坑深度的增加，水流将对材料产生直接的动 力作用，使其受到进一步的破坏，从而直接影响到建筑物的寿命，甚至造成整个 建筑物破坏1 2 巧i 。世界上许多泄水建筑物曾因表面不平整突体引发过空蚀破坏1 6 - 9 1 。 泄水建筑物的运行实践表明，即使过流壁面上仅残留几毫米的不平整突体， 亦会引起砼表面大范围的空蚀破坏。典型的不平整突体空蚀破坏实例如美国波尔 德( b o u l d e r ) 坝i lo | 泄洪洞早在1 9 4 1 年就发生了严重的空蚀破坏，其主要原因亦是 由于泄洪洞表面不平整突体造成的。许多学者曾对不平整突体的初生空化及空蚀 问题进行过试验研究、理论分析及数值模拟。 2 浙江t 业人学硕1 ：学位论文第一章绪论 1 2 表面圆柱形突体引发空化现象的研究现状 1 2 1 表面圆柱形突体引发空化现象的试验研究 在原型观测方面，譬如对刘家峡水电站泄洪洞空蚀破坏的调查表明1 1 ，在泄 洪洞出口反弧末端靠近边墙处有三个露出底版混凝土面以上8 m m 的钢筋头，过水 3 1 5 小时后( 最大流速3 8 m s ) ，在其后面发生大面积严重的空蚀破坏。对该反弧段 混凝土表面的不平整度调查结果表明，1 4 个升砍中( 其中升高的最大值为1 2 m m ， 最小值为3 m m ) ，其后部均程度不同的被空蚀破坏，同时又根据对该泄洪洞反弧段 及坝内泄水道泄槽段混凝土表面上其它各种不平整型式所做的调查统计表明，突 体尺寸最小为3 m m ，最大为5 0 m m ，5 8 个突体中除7 个附近未发现空蚀外，其余 均有程度不同的有空蚀破坏现象。 在理论研究方面，2 0 世纪6 0 年代初期，许协庆、周胜等曾对圆弧弓形和半弓 形突体的压强分布和初生空化数进行过研究，并探讨了影响压强系数的有关因素。 国内梁) z l t 您1 等人也对过流壁面不平整度控制标准进行了研究。此外文献f 1 3 】试验研 究了流速为4 0 5 0 m s ，突体高度为7 m m 、9 5 m m 的圆柱形孤立突体的初生空化数 及空蚀随掺气量的变化情况，试验得出，水流未掺气时，即使圆柱形突体高度仅 0 1 2 m m ，也会发生空化；当掺气浓度大于4 3 ，可减免圆柱形突体下游的空蚀。 同时还得到，未掺气流速为5 0 m s 的圆柱形突体下游的空蚀强度远大于4 0 m s 情形。 文献【1 4 】提出减免空蚀的最低掺气浓度与水流速度的关系为半立方抛物线。我国学 者曾经对高速水流掺气状念下产生的压缩波进行试验研究1 f 5 - 7 1 ，尤其是在掺气和 非掺气状态下，对圆柱形突体产生空化现象时的压力进行了试验研究，并计算得 出空化数【1 8 1 ，结果表明，圆柱形突体下游时均压强低至负1 个大气压，当从外部 掺气时，压强逐渐增加，但是当掺气浓度c 冬9 1 时，下游靠近突体位置压强仍旧 为负值，同时距离突体约1 6 7 倍直径位置，压强因掺气增大至6 0 k p a ，距离突体 6 6 7 倍直径位置压强增大至2 个大气压；空化数的计算表面，距离突体较近位置， 空化数较低甚至可能为负值，相反的是，掺气后空化数变为正值，负值消失；除 了离突体最近的测点外，其余测点空化数均增加。 在水工泄水建筑物中，常因施工表面不平整以及体形不良而产生固定空化， 浙江t 业人学硕i j 学位论文第一章绪论 造成严重的空蚀。前人曾对不平整度对空蚀的影响进行了大量的室内试验研究。 结果表明：由于壁面凹凸不平，造成局部动水压强降低，当其低到水的饱和蒸汽 或临界压强时，水流内部出现局部空化，游移型空泡溃灭造成壁面的空蚀破坏。 高速摄影研究固定空穴的结果指出，水流是不恒定的i 协2 引，表面是形成了连续面 但有些不规则的周期过程。在加州理工学院的高速水洞中，k n a p p 对固定部分空穴 的循环特性的细节进行了研究，如在文献和川中所报导，可以区分为三个阶段： ( 1 ) 生成和发育： ( 2 ) 充填； ( 3 ) 溃退。 溃退后立即开始形成一个新的空穴。吉尔巴格( g i l b a r d ，d ) 及塞林( s e r r i n ，j b ) 指出f 2 2 l ，当空穴在对称弯曲障碍物的下游形成时，在这个障碍物上的阻力等于形 成回注射流的液体动量变化。此外罗斯及麦克诺恩1 2 3 l 的试验资料指出，在空穴跳 离点的上游，具有圆柱形中段的物体首部的压力分布基本上不受空穴影响，试验 包括的首部形状范围很广，从尖角平头到尖拱形，椭圆体和半圆截体。杨 ( y o u n g j o ) 及霍尔2 4 1 量测了对称楔体后的脱流频率和空化涡列尾流的间距后， 指明所有不稳定空穴及尾流，若用肉眼观察而非i 人j 光摄影时，似乎是稳定的，同 时二维空化尾流的周期性特点，是非空化卡门涡列型尾随漩涡周期性的直接后果。 1 2 2 表面圆柱形突体引发空化现象的理论分析 当空化现象不可避免时，为了减免高速水流空化产生的空蚀破坏，经济而有 效的措施是在低压空化区或在易发生空蚀部位上游设置掺气设施强迫掺气。美国 学者p e t e r k a l 2 5 l 较早地进行了掺气减蚀的研究，试验中掺入的空气量为水量的o 4 7 4 ，发现管道内因空化空蚀产生的爆裂声和锤击声随掺气量的增加而减轻， 当掺入约7 的空气时，噪音就几乎停止。其他学者如r u s s e l l 和s h e e h a n l 26 i 对于 砼试件得到的掺气量为5 7 。毋庸置疑，掺气可有效地防止或减轻应有的空蚀破 坏程度。对水电站进行掺气减蚀工作早已进入到实际操作阶段，例如，美国黄尾 坝泄洪洞空蚀破坏的修复中，最早应用了掺气减蚀设施，即在反弧上端、垂直水 流方向设一道掺气槽，当所有蚀坑用混凝土活环氧砂浆修补后，曾试放流量 4 浙江t 业人学硕一 ：学位论文第一章绪论 4 2 0 m 3 s ，未再见蚀痕，情况良好i ”1 。在我国，于1 9 8 0 年对曾在发生过空蚀现象的 丰满水电站溢流坝上进行过掺气减蚀设施的原型实验l 二引。可以肯定的是，仅仅依 靠控制壁面不平整度和提高壁面材料的抗蚀能力以及掺气减免空蚀是不可靠的， 必须研究泄水建筑物过水表面的复杂水流结构，揭示空蚀破坏产生的深层机理， 提出有效的工程措施才能达到减蚀效果。 实际工程施工后残留的不平整突体大多是不规则体，由此给理论分析及数学 计算带来了很大困难。通过室内试验，人们试图寻求突体的初生空化数与实际工 程中突体空蚀破坏之间的关系例。 影响初生空化数q 的因子可表示为 q = f ( a ，u ，h ，c ，y ，万，g ) ( 1 - 1 ) 式中为突体高度；d 为流速；h 为水深；c 为含气浓度； ，为运动粘性系数； 万为边界层厚度：g 为重力加速度。 对式( 1 1 ) 进行量纲分析，并将粗糙度的影响用边界层的特征参数近似代替， 则可将初生空化数的影响因素简化为 q = ( 等7 a 五h ，c ) 2 ) 式( 1 - 2 ) 中的影响因素分别讨论如下： 1 ) 雷诺数r e ：坐的影响 研究成果表明，对流线形突体( 如圆弧突体、弓形突体、半圆球形突体等) ， q 随黜的变化不太显著，且当黜足够大时，q 趋于某一定值。但对非流线型突 体( 如三角形、升坎、锐缘体等) ，o r , 随黜增加的趋势较为明显。 2 ) ；的影响 霍尔曾在两个不同尺度的水洞中对弓形及三角形突体进行过研究，试验成果 表明：如突体被覆盖在边界层内，边界层内的流速变化将直接影响到空化形态的 变化。当然，如果流速为均匀分布，则不存在边界层的影响。如计入边界层的影 响，则水流空化数将有较大的提高。我国学者对溢流面掺气不平整度控制研究表 明如l ，掺气浓度越大，允许的不平整度的高度就越高，反之，就越小。 浙江下业大学钡l ：学位论艾 第一章绻论 3 ) 兰的影响 旱既可视为明流中的相对水深，也可视为管流中的相对压强，由其可以将明流 与管流这两种不同的流态统一起来。 水利水电科学研究院曾进行过垂直升坎、园化垂直升坎、斜坡坎，以及三角形 突体的实验。试验成果表明：明流与管流下突体的初生空化数是不同的。但随着旦a 的增加，此两种流态的初生空化数k 逐渐逼近。当；一0 0 时，可将两种流态下得 凸 到的k 。统一起来，由此也说明可将管流中得到的试验成果应用到明流中。根据试 验得到的几种突体的k ，经验公式为 垂直升坎： k = 1 1 7 a o3 2 6 ( 管流) ，k = 1 0 2 a o3 2 6 ( 明流) ( 1 3 ) 圆化升坎： k = 0 8 8 a 仉3 2 6 ( 管流) ( 1 4 ) 三角形坎： k = o 8 4 a n 3 2 6( 管流)k = 0 7 0 a0 3 2 6 ( 明流) ( 1 5 ) 斜坡升坎： k = 2 9 ( 全) “( 管流) ( 1 - 6 ) 4 ) 空气含量的影响 已有的试验成果表明，如水中空气含量接近饱和状态，则同一突体多次试验得 到的k 值比较接近。 此外，前苏联罗扎诺夫的研究成果表明：如果雷诺数足够高，则对一定形状的 突体，其初生空化数将为定值。 1 2 3 表面圆柱形突体引发空化现象的数值模拟研究 在c f d ( 计算流体动力学) 出现以前，流体研究主要有理论流体力学和实验 流体力学两种手段。传统的实验研究由于受其本身局限性( 如模型尺寸、实验周 6 浙江t 业人学硕十学位论文第一章绪论 期、资会投入等) 的影响，许多实验研究很难实现；由于许多无法求解的方程使 得理论流体力学的发展也受到了限制。随着c f d 技术的发展，不仅克服了传统实 验研究的限制，又由于其强大的计算能力能够解决解析法无法求解的方程，因此 c f d 技术的发展大大促进了流体力学研究的进步。前人也对水流流经圆柱体绕流 做了大量的工作。周胜，孙晓霞等人利用有限元法对管道中圆化突体的压力分布 的计算研究研究表明，过流表面上的不平整突体应进行磨圆处理，降低初生空化 数1 3 。如文献【3 2 】中应用有限解析法和拟合坐标变换法给出了任意形状的不平整突 体的压力分御和最小压力系数的数值计算方法。又如文献 3 3 】运用数值模拟技术对 l 氐r e 数圆柱绕流进行场协同分析，我国学者张宏伟、张东等人应用f l u n e 软件对挑 砍下游高速掺气水流的数值模拟研究f 3 4 1 得到湍流扩散对掺气浓度的分布有重要作 用；此外在文献1 3 5 中也对伯努利管中的空化现象进行了分析。 1 3 存在的问题 通过对水流流经不平整突体表面圆柱形突体的试验、理论、数值模拟研 究现状的总结分析，同时又比较了理论与实验的各自优点，以及研究的发展趋势， 发现主要存在以下3 个方面的问题： ( 1 ) 随着我国水利水电事业的发展，高坝建设同益增多，由于落差的加大， 水流速度也在逐渐增大，最大甚至超过5 0 m s 。受到试验条件自身局限性的影响， 前人更多的是进行原型观测试验或者是理论分析，未见有针对高速掺气水流 ( 3 0 6 0 m s ) 流经表面圆柱形突体前后的流动特性文献报道，因此在实验室对不 平整突体表面圆柱形突体引发空化现象的研究甚少。 ( 2 ) 传统的流速测量仪器只能进行单点测量，并且是接触式测量，无法对整 个区域内的流场进行无扰动测量，因此受到仪器设备局限性的影响，前人对突体 引发空化现象的研究集中在一个较大的范围内，未见有针对突体产生空化的局部 区域内的水流流动特性的分析报道。 ( 3 ) 随着计算机和计算技术的快速发展，数值模拟逐渐成为研究复杂流动问 题的有效工具，但现在对于圆柱形突体进行模拟的实验主要是围绕圆柱绕流展丌， 7 浙江t 业人学顾i j 学位论文 第一章绪论 使用c f d 技术对圆柱形不平整突体引发空化现象研究甚少，正因如此，更未见运用 数值模拟技术与实测数据进行比对。 1 4 本文采用的研究方法和研究内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 概述高速水流流经不平整突体表面圆柱形突体研究的工程背景及意 义，总结国内外对表面圆柱形突体的相关试验研究。 ( 2 ) 采用三维粒子测速仪( p i v ) ，对高速水流( 低于5 0 m s 、高于5 0 r r d s ) 流经不平整突体表面圆柱形突体的流动特性进行初步的试验研究。采用不同 高度突体试件，实测空化区掺气前后流速的变化，探讨不同掺气浓度通气量与空 化区速度场分布关系。 ( 3 ) 使用数值模拟技术，对泄水建筑物过流壁面上圆柱形突体的水平二维和 垂直二维流场进行数值模拟，同时分别考虑不同高度圆柱形突体和不同掺气浓度 对空化区内流动特性的影响，给出水平二维和垂直二维的流速分布和压力分布， 并与p i v 实测结果作比较。 8 浙t n 大学顽 岸位论i 第一章试验设备与量测方镕 21 试验设备 第二章试验设备与量测方法 本论文试验是在浙江工业大学水力学实验室中进行。试验装置按直流式水洞 设计采用不锈钢板材，经数控机床精加工制成的矩形掺气段、收缩段、工作段 及扩散段等组成，如照片2 1 所示，主要工作断面尺寸为3 5 x 2 c m 2 。 照片2 2 空压机照片2 - 3 转子流量计 流速由d a n t e c 三维粒子图像测速仪量测，如照片2 _ 4 所示，其具体运行模 式和理论支持将在本章2 2 小节中详细介绍。圆柱形突体模型由不锈钢制作，突体 浙r 大学碗l ：学位论文 第一 试验啦蔷j 量测方法 高度分别为a - 2 、5 m m 两种，究体直径为6 m m ，照片2 - 5 所示为a - 5 m m 圆柱形 突体。 照片2 - 4 三维粒子图像测速仪( p i v l 照片2 5a - 5 m m 圆柱形究体 试验所需压强由s i n o c e i l a y e 6 2 6 3 动志数据采集测试系统提供，如照片2 6 所示。其具体工作原理将在本章23 小节中介绍。 照片2 - 6y e 6 2 6 3 动态数据采集测试系统 浙江t 业人学硕i j 学位论文 第一二章试验设备j 量测方法 2 2 三维粒子图像测速仪( p i v ) 技术 气液两相流广泛应用于水利、环境、动力、化工、核能、石油、冶金等领域。 气泡羽流作为气液两相流的一种，在工程中也得到越来越广泛的应用。例如，在 河口用气泡幕防止盐水的侵袭；控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水质；加 速反应装置中的物质混合、热量交换、以及化学反应过程；防止水路和港口结冰， 为水生物增氧等等。所有这些工程措施的运行效率如何，在很大程度上与气泡的 运动特性密切相关，传统的流速测量方法很难精确测出两相流中粒子的流速，目 前世界上只有两种最先进的流速测试方法可以精确地测出两相流中粒子的流速 1 3 6 j ：一种是粒子动态分析仪( p a r t i c l ed y n a m i c sa n a l y z e rs y s t e m ，简称p d a ) ， 另一种就是三维粒子图像测速技术( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，简称p i v ) ，本文就 是采用后者对气液两相流中的气泡流速进行实测研究。 三维粒子图像测速技术( p i v ) 技术是上世纪8 0 年代在流动显示基础上，充分 吸收现代计算机技术、光学技术及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流 场测试手段。它不仅能显示流场流动的物理形态，而且能够提供瞬时全场流动的 定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。p i v 的突出优点表现在： 1 ) 它突破了空间单点测量( 女n a d v ) 的局限性，实现了全流场瞬念测量；2 ) 它实 现了无扰动测量，而用毕托管或h w f v 等仪器测量时对流场都有一定的干扰。因 此p i v 容易求得流场的其它物理量，由于得到的是全场的速度信息，可方便的运用 流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息。因此，该技术在流体测量中 占有重要的地位。传统的流速测量仪器，如通常采用的多普勒流速仪a d v ( a c o u s t i c d o p p l e rv e l o c i m e t e r ) ，只能进行单点测量，而且是接触式测量，无法对整个区域内 的二维流场进行无扰动测量。当流场内部的流速变化较大，且有涡旋存在时，传 统的仪器很难实现流速的准确测量。当今计算机技术与图像处理技术的快速发展， 使得流场测试技术得以迅速发展与提高，p i v 技术以其独特的优势克服了以往流场 测试中单点测量的局限性，能够进行平面二维流场的测试，是一种非接触、瞬时、 动态、全流场的速度场测量技术。 近十几年来，随着激光技术和图像处理技术的成熟，p i v 技术1 3 7 1 获得了人们 的普通认可。在能进行相分离的多相流运动中，都可以采用p i v 技术来分析其运动 淅t 业人学硕 ：学位皓空 第一章试验设蔫v 量测方法 规律。作为研究各种复杂流场的一种基本手段，现在已经广泛应用于各种流动中 从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多相流动等f 3 s - 3 早期的 i a s s 皿d 【4 i 等人对p 在多相流应用方面取得了一些进展。 22 1p l v 的结构1 4 1 利用p i v 技术测量流速时，需要在测量的二维平面中均匀散播跟随性、反光性 良好且比重与流体相当的示踪粒子，使用c c d 等摄像设备获取示踪粒子的运动图 像。对示踪粒子的运动图像进行分析，就能够获得二维流场的流速分布。流场中 某一示踪粒子在二维平面上运动其在x 、y 两个方向上的位移随时问的变化为 x 0 ) 、y 0 ) ，是时间t 的函数。那么，该示踪粒子所在处的永质点的二维流速可以表 示为公式( 2 - 1 ) ： _ = 百d x ( t ) 。x ( t + 百a t ) - 一x ( t ) = ；z = 警m 下x ( t + a t ) - x ( t ) 毛 ( 2 一i ) 式中：t 与是水质点沿x 方向与y 方向的瞬时速度，瓦、瓦是水质点沿x 方向与y 方向的平均速度，出是测量的时问间隔。 在公式( 21 ) 中，当a t 足够小时，t 、日的太小可以精确地反映。u 与。p i v 技术就是通过测量示踪粒子的瞬时平均速度实现对二维流场的测量。 当测量流体表面的流速时，可以在自然光照条件下进行实验，而对流体内部 的二维流场测量时，必须使用辅助片光源照明，图2 - l 为采用p 测量流场内部流 速的实验示意图。 l 一、“0 卜。l * 暴露毽早“ m * t f 硅m t t j i 、 图2 一ip 【v 测量设备及原理图 配“脚n 粕s t u d ! o 轼蚪l ih 机 p 社境 警 浙江t 业大学硕l ：学位论文第一二章试验设备j 量测方法 图2 1 中所示的实验过程是这样的：激光器产生的光束经柱面镜散射后变成光片， 平行照射流场内部的一个平面，位于该平面上的示踪粒子反射的光线经光学镜头 聚焦后通过成像阵列形成图像，对图像分析得出该平面上的流速分布。 2 2 2piv 技术的互相关理论 为了得到流速分布的细节情况，散播在流场中的示踪粒子的粒径应该非常小、 浓度应该足够大，使得采集到的图像对有足够的流场信息，这就很难从两幅图像 中分辨同一个粒子，也就无法获得所需的相对位移。而利用互相关分析理论1 4 羽， 可以轻松地解决这个问题。从上面的描述得知，图像采集系统获得的每一对图像 都是从相同的空间位置上得到的，且曝光的时间间隔可以作为已知参数。流场中 的示踪粒子反射来自片光源的光线，每一粒子上反射的光强信号与其空间位置成 单一映射，这就形成光强信号与空间位置的函数映射关系，使用互相关分析方法 可以确定两幅图像之间的对应关系。 为了讨论方便，假设流场只存在沿水平x 轴正向的速度，示踪粒子反射的光强 沿x 轴的分布为一元函数i ( x ) ，图2 2 所示为某一时刻的光强分布。 i 图2 2 光强沿x 轴的分布 在实验过程中，p i v 的测量区域固定不变，宽度为w ，与图( 2 2 ) 中的宽度对 应。在t l 时刻，第一幅图像采集到图( 2 2 ) 中( x ，x l + w ) 的光强信息；经过很小的 间隔出( 即为t 2 时刻，其中t 2 气l + a t ) ，示踪粒子之间的相对位置和各示踪粒子上 反射的光强不发生变化，仅仅是随流场沿x 轴正向运动，使得第二幅图像采集到图 浙江t 业人学硕f ：学位论文第_ 二章试验设备j 量测方法 ( 2 2 ) 中( x 2 ，x e + w ) 的光强信息，其d p x t - x 2 = a x 。结合图( 2 - 2 ) ，不考虑时l 日j 参数， 并进行原点调整，得到t l 时刻与t 2 时刻的光强分布表达式： f ( x ) = ，( x + 而) ，s ( x ) = i ( x + x 2 )( 2 - 2 ) 0 x w f ( x ) = s ( x ) = 0 ，x w 式中：f ( x ) 为t l 时刻的光强信息，s ( x ) 为t 2 时刻的光强信息。 根据互相关函数的定义，计算f ( x ) 与s ( x ) 的互相关函数，并利用公式( 2 2 ) 进行 如下变换： 髟，( d ) = 陟( x d ) s ( x ) a x = ，_ ，( x + _ - d ) l ( x + x 2 ) d x = j i ( x - d + x , 一x ：) m ) a x ( 2 - 3 ) 式中：月，( d ) 为厂( x ) 与s ( x ) 的互相关函数。 另外，函数l ( x ) 的自相关函数r ( d ) 的定义为： r ( d ) = j l ( x d ) m ) a x ( 2 4 ) 那么，公式( 2 3 ) 可以转化为： 彤。( d ) = 厂【d 一( 五一x 2 ) 】= ，( d a x ) ( 2 5 ) 自相关函数是偶函数，且有如下基本性质：r ( o ) ，( x ) 。因此，在公式( 2 4 ) 中，当d = 缸时，f ( x ) 与s ( x ) 的互相关函数取得极大值。 采用上述方法，对图像对划分网格，通过计算图像对的互相关函数，利用互 相关函数极大值的位置确定图像网格的相对位移，即示踪粒子在时刻t l 与t 2 之i 日j 的 位移。另外，从图像的采集间隔，即公式( 2 1 ) 中的& 已知，可以进一步计算出 示踪粒子在f 内的瞬时平均速度，从而能够获得流场内部的二维分布。 在计算机算法的具体实现上，可以利用互相关函数傅罩叶变换的特性和傅旱 叶变换的快速算法，实现互相关函数的快速计算。 1 4 浙江t 业人学硕一l ：学位论文 第- 二章试验设备j 量测方法 2 2 3pi v 技术用于气泡运动速度场测试 p i v 技术发展初期主要用来测试单相流( 空气和水等) ，随着p i v 技术不断地向 前发展，其应用领域不断拓宽，两s h p i v 图像中还包含了离散相颗粒( 气泡) 的丰富 信息，不仅能给出速度分布，还能给出颗粒粒径与浓度分布。与单相流测量相比， 两相数字图像处理技术要困难得多，它不仅要分辨代表同一粒子在已知时间间隔 里移动位移，而且，要将代表不同相的颗粒区分开来，而两相颗粒之间会发生碰 撞、遮挡，甚至翻转。代表两相流动的颗粒如果光学性能不同，会给在同一底片 上成像带来很大困难。颗粒很容易跑出片光照射的区域，使在观测区域找不到相 关点。故两相测量的图像数字处理技术尚处于起步与发展之中。虽然，在p i v 应用 于气液两相流动时存在着连续相和分散相的粒子图像如何区别、照光光源的选择、 图像处理算法的改进等许多难题，但已有一些研究者做出了初步的探索，取得了 一些可喜的研究成果。2 0 0 0 年，g r u n e f e l d 和f i n k e l 4 3 1 等人结合p i v 和激光诱导荧屏 ( 1 a s e r i n d u c e df l u o r e s c e n c e ，l i e ) 测试技术，探索了同时测量薄片装置内紊念的气 液两相流各分散相的速度场。结果表明：p i v 技术能够用来测量气液相速度场，精 度很高，误差小于2 ，低于标准的6 7 。c h e n gw e n ，y u i c h i m u r a i1 4 4 采用 p i v 技术测出气液两相流中气泡速度场，通过建立低雷诺数下微小气泡的运动方 程，并采用逆解析法求解方程，可得到沿着气泡轨迹的液相流速，通过空间和时 间的内插法建立了整个液相流场结构。同时，根据气泡运动的测量数据提出了估 算液相流场的算法。l i n d k e n l 4 3 l 通过p i v 技术，采用相分离方法，对水中气泡运动 速度场进行了分析，并对气液两相流测量问题进行了探讨，为有气泡运动产生的 非紊流运动研究提供依据。 2 2 4p iv 使用展望 综上所述，p i v 技术克服了以往流场测试中单点测量的局限性，能够进行平 面二维流场的测试4 6 1 ，不仅在测试气液两相流颗粒相速度场，而且，在粒径分布 和浓度分布等方面取得了一些进展，且p i v 技术具有精度上的优势，在许多领域 应用广泛，尤其应用于气泡场的测量已取得了成功，为p i v 应用于气液两相流流 动特性研究奠定了理论和实践基础。此外，还可以用p i v 结合近年来蓬勃发展起 浙江t 业人学硕 ：学位论文第一二章试验设备j 量测方法 来的多相流动理论，建立能真实反映工程实际的气液两相流动模型，必将在指导 工程设计和优化运行方面发挥作用，并展示出广阔的工程实际应用前景。 2 3 y e 6 2 6 3 动态数据采集测试系统 y e 6 2 6 3 动态数据采集测试系统是一种基于l0 l o o b a l s r _ t x 网卡网络传输 的多功能数据采集测试分析系统，通过双绞线直接与插在与之兼容的计算机内的 1 0 m 网卡连接，构成实验室的数据测试、采集、分析和处理系统。其工作原理如 图2 3 所示： 采集通适l 坦剑_ + i 丝壅旦主i r 0 0 1 ，o - _ _ _ _ _ _ o _ 图2 3y e 6 2 6 3 数据采集系统示意图 从图中可以看到，y e 6 2 6 3 由各自独立的采集通道和内部计算机相连组成整个 系统，各采集通道分别存入各自的缓冲器中，内部计算机通过统一的系统总线处 理这些数据。其内部结构决定了它的基本工作方式，按照采集、处理、再采集、 再处理的顺序进行工作。本试验中，在不同掺气浓度条件下，对不同高度的圆柱 形突体前缘1 5 厘米处进行压力测量，并为数值模拟提供参考依据。 1 6 浙江t 业人学硕十学位论文第三章数学模型j 数值方法 3 1数值模拟 第三章数学模型与数值方法 由于高速水流运动的复杂性，目前尚没有比较完善的分析方法，往往借助于 物理试验方法加以研究，但是物理模型试验存在信息获得不全面、比尺效应、干 扰流场、耗时费力等缺点。数值模拟具有易于改变各种参数，有利于进行多方案 的变换比较等优点，近些年来，随着计算机计算能力的提高，采用数值模拟来对 高速水流中空化模拟研究已成为一种新的趋势，数值模拟和物理模拟试验研究相 结合的方法对表面圆柱形突体水力特性进行研究是一种较为理想的方法。 3 1 1 水气两相流数值模拟 现代流体力学研究已进入理论分析、实际量测( 包括模型和原型实验) 和数 值模拟三种方法并互补的时代。实践表明，流体力学是一门古典科学，尽管流体 力学控制方程多是非线性的，但它们的类型却是标准的，很适合于数值模拟方法， 因此，流体力学学科是得益于近代数值模拟最深的领域之一。 水气两相流属于流体力学范畴，它的物理性质比单质流场要复杂一些，目前还 缺乏公认的标准的控制方程，理论的解析解更难得到，于是人们开始在数值模拟 方面寻找出路，如文献1 4 7 5 5 l 等。 3 1 2 紊流模型 目前对紊流流场的数值模拟紊流流动模型大致分为三类，第一类是紊流输运系 数模型；第二类是抛弃了紊流输运系数的概念，直接建立紊流应力和其它二阶关 联量的输运方程；第三类是大涡模拟。实际求解中，一般峰持精度要高，