（农业生物环境与能源工程专业论文）竖直管内颗粒流动的PIV测试.pdf

山东理工大学硕士学位论文 英文摘要 摘要 本文旨在为下降管式热解液化装置内生物质颗粒、陶瓷球颗粒及二者混合颗粒的流 动特性提供理论支持以优化其设计。 在总结国内外相关文献的基础上，根据p i v 测试的要求设计制造了下降管式热解液 化装置的竖直管冷态模拟装置，并选择玉米秸秆颗粒、陶瓷球颗粒及二者混合颗粒作为 研究对象。 对竖直管冷态模拟装置内流场进行了理论分析，得出本实验条件下其流场内的流动 状态为紊流，且其流动可分为三个阶段：射流段，过渡段和紊流段。 在抽气流量为9 0 m 3 h 时，对测试结果进行分析得出了1 0 0 目的玉米秸秆颗粒、粒径 为1 0 - 2 o m m 的陶瓷球颗粒及二者的混合颗粒在竖直管内的涡量、轴向速度的分布特点； 并得出陶瓷球的轴向中心速度的平方与下降的距离成y = 1 3 3 7 2 x 一0 1 7 0 3 的直线关系， 说明其运动是匀加速运动；陶瓷球轴向中心速度和下降距离成y = - 2 5 6 8 7 x - 1 0 2 8 5 的 直线关系，速度随着距离的增大而增大，而玉米秸秆颗粒和混合颗粒的轴向中心速度和 下降距离分别成y = o 0 4 0 7 l a x 一0 7 5 0 8 和y = o 0 7 1 7 l a x 一0 6 8 7 1 的对数关系，其速度却 是先减小后又稳定，这主要是下料口射流的影响。 对重力作用下粉体颗粒的流动规律进行了理论分析；比较分析了竖直管自由端和抽 真空时的玉米秸秆颗粒、陶瓷球颗粒及二者混合颗粒轴向速度的分布差异：自由端时的 玉米秸秆颗粒轴向速度在径向上的分布比较像一个浴盆，而抽真空时则比较类似于抛物 线；两种实验条件下的陶瓷球运动规律基本无交化，这主要是由于重力的作用在颗粒流 动中起主导作用；混合时，自由端时的轴向速度差不多是抽真空时的两倍。 此外，本文还从图像采集和图像处理两个角度，总结了竖直管进行颗粒流的p i v 测 量的经验。文章最后总结了实验中存在的问题，并对下一步研究提出了建议。 关键词：颗粒流，竖直管，p 1 v ，玉米秸秆颗粒，陶瓷球颗粒 山东理 大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t n l i st h e s i si sa i m e dt o 目u p p l yt h e o r yf o rt h ed o w nf l o wt u b er e a c t o rb ys t u _ 【t y i n gt h ef l o w o f p a r t i c l ei nav e r t i c a ld u e tw i t ht h ea i do f p a r t i c l ei m a g ev e l o e i m e t r yi f i v ) t h em c a s t a e m e n tp r i n c i p l eo fp i vw o 5r e v i e w e da n dt h es t u d i e sa n da p p l i c a t i o n so ft _ h e s y s t e mo fp i vu s e di nt w o - p h a s ef l o ww e r ei 曲o d u c e di nd e t a i la c o l ds t a t ev e r t i c a ld u e t e x p e r i m e r i t a la p p a r a t u sw a sd e s i g n e da n d f a b r i c a t e df o r t h el l l e a s u r e m e l l l ：w i t hp i v c o r ns l i a w r , n t i e l e s ( 1 0 0m e s h ) , s p h e r i c a lc e r a l l l i c ：p a 触( 1 0 - 2 o m mi nd i a m e t e r ) a n dt h em i x t t mo f c o i n s t r a w p a r t i c l e sa n ds p h e r i c a l c e r a l n i c p a r t i c l e s w e r es e l e c t e d f o r t h es t u d i c $ i nt h ev e r t i c a ld u e t , t h ev e l o c i t yd i s l r i b u l i o n sf o rt o n is t r a wp e a t i d e s , s p h e r i c a lc c r a n l i c l 掰t i e l e sa n d t h em i x t u r eo f c o r l ls t r a wp a r t i e l 龆a n ds p h e r i c a lc e l - a l n i cp a r t i c l e sw e r ed e t e r m i n e d a tt h ea i rs u c t i o nf l o wr a t eo f 9 0m 池t h e s q u a r eo f t h ea x i a lv d o e i t yo f c e r a m i cp a r t i c l e sa t t h e c e n t e r a x i s i s p r o p o r t i o n a l t o t h e 舢i n g d i s p l a c e m e n t ：y 2 1 3 3 7 2 x - 0 1 7 0 3 ，砌c hs h o w s t h a tt h em o v e m e n to ft h e 印k d c a l 均m i ci 刎e l e si s 趾t m i f o r m l y 删钉劬e dm o t i o t t w h e r e a s ，f o r 印h e r i c a lc , e r l u m c 倒e l e s ，也er e l a t i o n s h i pb e t w 嘲lt h e 删v e l o c i t y a tt h ec e n t e r a x i sa n dt h ed i 印曲c 既n ti sl i n e ：y = - 2 5 6 8 7 x - 1 0 2 8 5 ，b u tf o rc 伽蜘p a r t i c l e s 缸l dt l i e m i x t u r eo f t b ct w op 枷c ：i e s t h er e l a t i o n s h i p sh 咖v 嘲t h e 瓢i a lv e l o c i t y 砒t h ec e n t e ra x i sa n d 也ed i s p l a 明m 枷黜l o 卿矾b i n ：，y = 0 ，0 4 0 7 1 n x - o 7 5 0 8a n dy = o 0 7 1 7 1 n x - 0 6 8 7 1 t l 忙m o v e m e n to f l 洲c l e si nt h e 中髓幻1 删d u e tw i t i lo p e no u t l e tw 粥a l s om 瑚s m e d a n dc 0 蜘p a 嘲w i 血也c 咖e n t a lr e s u l t s0 t c a i n e du n d e r 峨l l mt h ec o m p a r i s s h o w s t l l 缸t h e 砌v e l o c i t yd i s 在 i b u f i o no f e x 胁蚰 t l wp a 撕d 铝l o o k sl i k eat u bw i t ho p e nd u e to u t l e t , w h e r e a s ，i ti sa 删岫d e fv 删恤m o t i o no f s p h e r i c a lc e f 锄i ct 埘l i e l e st m d e r 位t w o e o n d i d o mc b a n | 雪懿v e r yh t t i e ；t h ev e l o c i t yo f m i x e d 础l ei nt h eo p e no u t l e td u e ti st w ot i m e o f t h ev e l o c i t yt m ( 1 e rt h ev l l c u l l l 札 t h ee x t e r i e n e e sa n dp r o b l e m s 鹊c i 砷e dw i t ht h ei m a g ec o l l 鲥n ga n d 弘d c 鼎；s i n gd u r i n g t h ee x p e r i m e n t 勰姗础吨咄a n ds o m es u g g e s t i o n sf o r 跚h e rs h l d i e s 鼬a l s 0p i nf o r w a r di n 也i st h e s i s 1 ( e y m 曲：l 埘t i e l ef l o w , v e r t i c a ld u e t , p i v , c o ms 咖删d e s 印h e r i e a l 锨a m i cp 越t i c 蛔 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名懒l 够 时嘲年) _ “ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协调 研究生勰物亚矽帆坪j 角吲 名：物钐帅：母妇w 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 化石能源面临的危机 第一章绪论 1 1 研究背景及问题的提出 能源是人类社会存在的基石。没有能源，人类无法生存；没有能源，人类就没有光 明和动力；更谈不上进步和发展。同时，能源又是人类社会存在与发展的物质基础。在 过去2 0 0 多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了 人类社会的发展。 而煤炭、石油和天然气等化石燃料是不可再生能源，其储量是有限的，所以，应了 中国的句古语坐吃山空。化石燃料资源日益枯竭，加之分布不均，受到地区的限制， 由此引发战争也是不可避免的。 世界能源消费量巨大，且呈明显增长趋势。随着经济发展、人口增长，人类社会活 动对能源的需求将越来越大。 然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化 石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，气候异常，酷热、严寒、洪 水、海啸肆虐地球，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治纠纷，甚至冲突和战争。 因此，人类必须寻求种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。 7 现在，全世界都很重视研究开发新的能源，可再生能源是研究热点。可再生能源包 括太阳能、生物质能、风能、潮汐能、波浪能、地热能和水力能等峨 我国的主要一次能源是煤炭。煤炭是不可再生的化石能源，其利用过程中一方面会 形成s 0 2 、n o x 、c 0 2 及粉尘等污染，另一方面，以煤炭为主要的能源生产消费结构使 得我国的国民经济的发展和人民生活水平的提高对煤炭能源具有很强的依附性。近年来， 煤炭短缺以及运输能力的限制使得很多地区的能源供应紧张。此外，我国的石油和天然 气等优质化石能源相对短缺，而近年来我国对石油、天然气的需求急剧增长。国际石油 市场的不稳定因素对我国能源安全问题( 主要是石油安全) 带来很大不利影响。 我国经济的迅速发展使得对能源的需求增加，常规的化石能源供应不足的矛盾日益 突出。能源安全成为我国必须解决的战略问题。发展新能源和可再生资源十分紧迫，也 是世界各发达国家竟相研究的热点课题之一。新能源与可再生资源不仅有利于解决和补 充我国化石能源不足的问题，而且有利于我国改善能源结构、保障能源安全、保护环境， 走可持续发展之路。开发利用新能源与可再生资源也是构建资源节约型社会和环境友好 型社会的必然选择。 山东理工大学硕士学位论文 第一覃绪论 同时我国还面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。坚持节 能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元化发展；加强环境保护，开展煤 清洁化利用；采取综合措施，保障能源安全；依靠科技进步，开发利用新能源和可再生 能源等，是我国长期的能源发展战略，也是我国建立可持续发展能源系统的最主要政策 措施【2 i 。 据美国油气杂志2 0 0 4 年公布的统计数据，我国的石油、天然气等的储量相比中 东地区是很少的。而近年来随着我国经济的迅猛发展，我国对石油、天然气等优质能源 的消费量增长很快，从1 9 9 6 年起我国成为石油净进口国，而且对进口石油的依赖程度越 来越高。在目前国际政治形势下，中东地区的不稳定因素对我国的石油进口造成严重的 威胁，我国的能源安全问题主要就是石油的安全，因此，积极寻求石油来源，包括进口、 国内开发以及开发高效节能和替代能源技术是我国目前面临的重要课题1 3 】。 近几年由于技术的进步，世界各地包括我国，新的石油、天然气的储量探测和实际 生产量都在有所增加。但这并不能解决化石能源储量不可再生的根本问题。在化石能源 枯竭之前，人类必须要寻找新的可替代能源。 1 1 2 生物质新能源的发展 中华人民共和国可再生能源法于2 0 0 5 年2 月2 8 日由第十届全国人民代表大会 常务委员会第十四次会议通过，自2 0 0 6 年1 月1 日起旌行。其中第一条表明“本法所称 可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源【4 j 。” 国际能源署( d 认) 对可再生能源做如下定义：可再生能源时期源与可持续补给的 自然过程的能量它的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的 热能嘲。 联合国开发计划署( i 】n d p ) 把新能源分为以下三类：大中型水电；新可再生能源， 包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能；传统生物质能卿。 化石能源是现代社会使用的主要能源。随着化石能源资源的日益减少，新能源的寻 求与开发成为人类生存和可持续发展的重大需要。 生物质能是人类最早利用的能源，也是人类为解决能源与环境双重危机而重点发展 的能源类型。 生物质与生物或生命活动密切相关，人们常将生物质所含有的能量简称为生物能。 然而，从能源特征和利用方式看，生物质能属于化学能，众所周知，化石能源是由地球 上庞大的生物质材料经过几千万年的演变转化而成的矿物能源。从化学角度看，生物质 与化石燃料均为以c 、h 为基本组成的有机化合物，它们属于同类能源化学能源。 生物质能与化石能源均属于一次能源。但现代社会中，实际使用的多为二次能源， 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 如“过程性能源- 一电能；“含能体能源_ 柴油和汽油等。因此在开发、利用生物质 能的过程中，如何把生物质高效率、低成本地转化为二次能源是生物质现代化利用的核 心嗍。 1 1 3 问题研究的必要性 生物质热裂解液化技术是国际上流行的一种生物质废弃物处理和利用技术。其核心 是生物质粉末在极高加热速率( 达到1 0 0 0 s ) 以上，也称为闪速加热) 条件下发生分 子裂解，使生物质大分子裂解为小分子的结构，立刻冷却热解蒸汽，终止二次反应，就 得到大量液体产物生物油。生物油既可以作为燃料直接或经处理后使用，同时因为 生物油为混合物，其中含有许多化工合成路线难以得到的有价值成分，还可以作为精细 化工原料，其应用前景十分广阔【1 0 l 。 。 针对生物质快速热解液化技术的反应器模式，国际上提出了多种结构类型的反应器。 有流化床反应器、涡旋反应器、旋转锥壳反应器、烧灼反应器、下降管式反应器等。所 有这些反应器都能够实现生物质裂解液化，只是结构不同、参数不同、性能有差异l l l t 2 。 我国对于生物质热裂解液化技术非常重视，叶五”期间，8 6 3 计划资助了2 项生物质 裂解液化技术开发研究；9 7 3 计划于2 0 0 4 年资助了l 项秸秆类生物质规模化应用基础研 究；2 0 0 5 年9 7 3 计划又把大规模利用生物质能的基础研究列为重点支持的方向。我国的 有关科研单位自1 9 9 0 年开始跟踪此类研究，先后有沈阳农业大学、中国科学院过程工程 研究所、浙江大学、东北林业大学、四川大学、华中科技大学、中国科技大学、山东理 工大学重点开展了相关的研究工作，获得了国家自然科学基金、省部基金的支持。其中 东北林业大学在8 6 3 计划的资助下开发了多重旋转锥热裂解系统；山东理工大学在8 6 3 计划( 2 0 0 1 a a 5 1 4 0 3 0 ，2 0 0 3 a a 5 1 4 0 3 0 ) 的资助下开发了陶瓷球热载体加热离心分离下 降管式热裂解系统，获得了国家发明专利。 从以上可以看出，生物质热裂解技术的重要作用，相应的对于其反应过程中生物质 颗粒流动的重要性也被突现出来，因此，对生物质颗粒的流动特性的研究是十分必要的。 而山东理工大学在8 6 3 计划( 2 0 0 1 a a 5 1 4 0 3 0 ，2 0 0 3 a a 5 1 4 0 3 0 ) 的资助下开发的陶瓷球 热载体加热离心分离下降管式热裂解系统，其生物质粉和陶瓷球颗粒在系统中是如何流 动的，之前并无相关研究。从而研究其颗粒流的运动规律，可以为热态实验的进一步开 展及优化提供重要参考，同时还可以指导生物质热解液化工业示范装置的设计。 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 课题来源、研究内容及意义 1 2 1 课题来源 本课题是国家自然科学基金项目“固体热载体加热条件下粉状生物质热裂解规律” ( 5 0 5 7 6 0 4 8 ) 研究中的部分。 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 设计了一套关于陶瓷球热载体加热离心分离下降管式热裂解系统的透明有机玻 璃材料冷态模拟装置。 ( 2 ) 利用p l y 设备对生物质颗粒流动规律进行研究。 ( 3 ) 利用p i v 设备对陶瓷球颗粒流动规律进行研究。 ( 4 ) 利用p i v 设备对生物质与陶瓷球颗粒的混合流动规律进行研究。 、 ( 5 ) 得到生物质颗粒、陶瓷球及二者混合的运动规律，利用p i v 分析软件分析得到 不同管段速度分布参数的实验数据。 对生物质粉、陶瓷球及二者的混合运动的规律进行比较，分析对其运动影响的主 要因素。 1 2 3 课题意义 利用p 1 v 系统通过自行设计的一套透明材料熟解液化设备的冷态模拟装置，研究生 物质颗粒、陶瓷球及二者混合的运动规律，从而为陶瓷球热载体加热离心分离下降管式 热裂解系统热态实验的迸一步开展及优化提供重要参考，同时还可以指导其热解液化工 业示范装置的设计。 4 山东理工大学硕士学位论文第二章颗粒流的p 测量技术综述 第二章颗粒流的p i v 测量技术综述 2 1 流动测量技术的发展 2 1 1 流动测量技术的发展历程 流动现象是一种跨行业、跨部门、跨学科的现象。近代空气动力学、流体力学、水 动力学、医学、水利水电工程、流体机械工程都提出了一系列流动问题。这些流动问题 归结起来有高速流、低速流、管道流、冲击流、涡流、湍流，还有两相流、多相流等等。 因此，流场测速技术的研究就具有了很高的学术意义和实用价值。 而复杂流动要求测量技术能够适应单点向多点、单相向多相、平面向空间、稳态向 瞬态的测试需要。这就必须对流体内部流动情况进行模拟、测试，国内外学者们几十年 来孜孜不倦地进行研究和探索并取得了很多的成梨“。 1 9 1 4 年发明了热线热膜流速计( 硝f a ) ，但它最大的缺点是接触式测量，对流场干 扰较大。本世纪6 0 年代，激光多普勒测速仪( l d v ) 实现了对流场的无接触测量【1 4 ”j 。 它利用流场中粒子的m i e 散射，测量散射光相对于原入射激光的多普勒频移量，计算粒 子的运动速度。其优点是具有很好的时间分辨率和空间分辨率，得到了广泛的应用。然 而，它和热线热膜流速计一样，都只是一种单点或多点测量技术“。 7 0 年代末，激光散斑全场测速技术( 1 a s e rs p e c k l ev e l o c i m e t r y , l s v ) 兴起，近年来逐 渐演变为粒子图像测速技术( p a r t i c l ej n m g ev e l o c i m e c y , p i v ) 和粒子跟踪测速技术( p a r t i c l e t r a c k i n gv e l o c i m e t r y , p t v ) ，这些技术已成为当今动态速度场测量的主要手段，实际上它 们都属于粒子图像全场测速范畴，需要在流场中添加示踪粒子，用计算机图像处理技术 进行判读【1 7 1 。 目前l s v 技术已很少采用，高粒子浓度对流场干扰较大，而测量精度、实验设备均 与p i v 技术基本相同【l ”9 , 2 0 。 由上所述，在对流场内部流动的模拟及其测试的研究中，以往的测试方法，如探针 法、l d v 系统等对流场有很大的干扰，从而使测试的结果和研究结论与实际有较大的出 入。近年来随着激光和计算机图象处理技术的发展，粒子成像测速技术( p ) 得到较大 发展，该技术可以满足大面积、瞬时测速的需要。 p x v o a r t i c l ei m r g ev e 】0 c i m e n y ) 即粒子图像测试技术，是2 0 世纪8 0 年代发展起来的 一种新型测速技术。相对予以往的测速手段，如激光测速技术、热线测速技术等，它有 一个很大的突破一即实现了对瞬态全流场的测量，可在同一时刻记录下整个测量平面 山东理工大学硕士学位论文 第二章颗粒流的p 测量技术综述 的有关信息，非常适用于研究涡流和湍流等复杂流动。国内外不少研究利用p i v 设备对 冷态流化床口1 丑捌，气固两相自由射流 2 4 ，2 5 , 2 6 , 2 7 ，水平携带床嘲等流场内颗粒运动的二维 速度场进行了研究。并获得了不少有价值的成果。 由于p l y 技术具有能测量空间全流场的瞬态速度和对流场干扰小等优点，p i v 目前 已经在各种流动的测量中得到了广泛应用【1 6 , 2 9 ，包括定常流动、非定常流动、低速流动、 高速流动等等。此外，它不但可以用于测速，还可以用于浓度测量。在二维全场测速技 术中，p i v 测速已变为标准方法，许多公司都有成套产品推出【l 习。 2 1 2 流动测量技术的新发展 随着激光技术、计算机技术、图象处理技术和摄( 录) 像技术的不断发展，全场测速技 术在最近十几年来迅速发展起来。全场测速技术包括激光诱导磷光( l a s e ri n d u c e d p h o s p h o r e s e n c e ，简称l i p ) 测速技术、激光诱导荧光( l a s e ri n d u c e df l u o r e s e n c e ，简称 l i p ) 预u 速技术、激光散斑全场测速技术( l a s e rs p e c k l ev e l o c i m e t r y ，简称l s v ) 、粒子跟 踪测速技术( p a r t i c l et r a c k i n gv e l o c i m e t r y ，简称p t v ) 以及粒子图像测速技术( p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y ，简称p l y ) 等咧。 p i v 技术本质上是图像测速技术中的一种，根据粒子图像模式的不同，粒子图像测 速技术可分为p 1 v ，p i v ，l s v t 。 p 1 v 当粒子浓度极低，粒子跟随流动的情况跟单个粒子类似的时候，会形成低 成像密度的p i v 模式，可以通过追踪单个颗粒的运动轨迹来获取流场分布情况，即粒子 示踪测速法，简称p 1 v 。 p i v 当选择合适的粒子浓度使得成像密度高，但映象尚未在查询区重叠时的技 术，称为粒子图像测速法( p ) 。 l s v 当粒子密度很高，以致于映象在查询区重叠而形成图像的技术，称为激光 散斑淝速法( l s v ) 。 p i v 技术的最新研究目前侧重两方面，一个是多参数测量及其图像处理的研究，比 如温度、速度、浓度等参数测量同时进行。另一个是h i i v ( h o l o g r a p h i cp a r t i c l ei m a g e v e l o c h n e u - y ) 方法的研究，它是利用全息摄影技术进行三维空间的测量。 2 0 世纪9 0 年代末，国际上在传统的p i v 基础上发展了种对微尺度流动进行全场 测量的实验方法，即m i c r o - p i v 技术，也称作m i c r o - p i v 3 0 1 。 2 2 p i v 技术特点 p i v 技术是种粒子图像全场测速技术，它通过在流场中添加示踪粒子，用高速摄 6 山东理工大学硕士学位论文第二章颗粒流的p i v 测量技术综述 影设备拍下时问间隔很短的流场图片，通过计算机图像处理技术判读连续两幅图片，当 选择合适的粒子浓度，使其成为较高成像密度模式，但成像系统像面上并未形成散斑图 案，还仍然是真实的粒子图像( 或单个粒子的衍射图像) 时，这些粒子已无法识别，底 片判读只能获得一个判读小区中多个粒子图像位移的统计平均值，这种粒子成像技术即 为p i v 技术 2 2 t 。 p i v 技术比传统的流场测量方法优越：首先，它实现了对测试段全流场瞬态测量， 突破了空间单点测量( 如l d v ) 的局限性：其次，它克服了用毕托管或h w f v 等仪器测量 时对流场具有一定干扰的缺点，实现了无干扰测量；最后，由于得到的是某瞬时全场的 速度信息，可很容易求得流场的其他物理量。因此，p i v 技术在流体测量中占有十分重 要的地位。 2 3p i v 图像处理算法 2 0 世纪8 0 年代发展起来的b 立- - y - 图像测速技术( p a 砸c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，p t v ) 贝l j 是 在流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术，光学技术以及图像分析技术的研究成 果而成长起来的最新流动测试- y - - , 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。近年来发展成数 字化p i v 技术，其基本原理是：用脉冲激光片光源照射所测流场区域中，通过连续两次 或多次曝光，将流场中粒子的图像记录在底片上或c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 摄相机 上，再用自相关法或互相关法等，逐点处理p i v 底片或c c d 记录的图像，以获得粒子的 速度等信息圆。 在利用p i v 技术测量流场时，需要在二维流场中均匀散布跟随性、反光性良好且比 重与流体相当的示踪粒子。将激光器产生的光速经透镜散射后形成厚度约l m m 的偏光源 入射到流场待测区域，c c d 摄像机以垂直偏光源的方向对准被测流场区域。利用示踪粒 子对光的散射作用，记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像，形成两幅p i v 底片( 即一 对相同待测区域、不同时刻的图片) ，底片上记录的是整个待测区域的粒子图像。由于 p i v 技术的迅猛发展，其图像处理算法也发展迅速，根据不同的分类方法，大致有以下 几种处理算法。 根据图像处理的流速计算原理可以把当前的p i v 技术分为：轨迹法、杨氏条纹法、 灰度分布图像相关法、粒子图像分布图像相关法、弹性模型法、速度梯度张量法以及粒 子轨迹追踪法。 根据所处理流场的粒子浓度，常用的p i v 图像处理算法可分成两类。一类是适合于 处理高浓度的粒子分布相关法。另一类是适合于低浓度的p 1 v 的方法。每类算法又有多 种各具特点的算法【3 “。 7 山东理工大学硕十学位论文第二霉颗粒漉的p n ，测量技术综述 适于高粒子浓度的算法有自相关法，灰度分布互相关法等。自相关法由于粒子的位 移方向不能确定，需要建立方向的判定准则等缺点，应用己越来越少。灰度分布互相关 法是一种典型的粒子分布相关法，它适合于各种流动的测量，它的缺点是计算量大。互 相关技术被广泛应用于各种图像处理方法中，既适合于不同粒子浓度的图像处理，又适 合于各种不同流动的图像处理p 碉j 。 适于低粒子浓度的算法有四时间步追踪法、速度梯度张量法和二值化互相关法等。 四时间步追踪法是用连续的四幅图像确定粒子的运动轨迹，从而确定粒子的运动速度。 二值化互相关法是一种高速的图像处理算法，适合于各种流动的图像处理。二值化互相 关法比较适合于各种各样的平行流动，当流动中存在旋转、剪切、伸缩等交形时，则可 靠性较差5 1 。 而其中的灰度分布图像相关法是目前最为流行的一种算法，有自相关和互相关之分。 自相关法由于粒子的位移方向不能确定，需要建立方向的判定准则等缺点，应用已越来 越少。互相关技术既适合于不同粒子浓度的图像处理，又适合于各种不同流动的图像处 理，以被广泛应用于各种图像处理方法中。互相关法在进行计算时由于图像中的判读小 区域在另一张图像中寻找于其最大相似度的区域，其计算工作量非常大，为了减少计算 工作量，目前广泛采用的是w i i i e r t 提出的快速傅氏变换法阁( f a s t f o u r i e r t r a n s f e r ：f f t ) 。 本实验所用的图像处理算法就是快速傅立叶变换互相关算法。该方法用数字方法将 整幅粒子图像分成若干个判读区域，逐个区域进行分析，所获得的速度矢量代表的是各 诊断区域内粒子的平均速度。整个待测区域包含了大量的示踪粒子，很难从两幅图像中 分辨出同一粒子，从而无法获得所需的位移矢量。采用图像处理技术将所得图像分成许 多很小的区域( 称为查问区) ，使用自相关或互相关统计技术求取查问区内粒子位移的大 小和方向，脉冲间隔时间已设定，粒子的速度矢量即可求出( 见图2 1 ) 。对查问区中所 有粒子的数据进行统计平均可得该查问区的速度矢量，对所有查问区进行上述判定和统 计可得出整个速度矢量场，并可计算出其他运动参量( 包括流场速度矢量图、速度分量 图、流线图、旋度图等) 。在实测时，对同一位置可拍摄多对曝光图片，这样能够更全面、 更精确地反映出整个流场内部的流动状态。应用强光( 片形光躺照射流场中的一个测试平 面，用成像的方法记录下两次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的 位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量【3 ”。 8 山东理工大学硕士学位论文第二章颗粒流的p i v 测量技术综述 氆糟 奎闩匿壹甸毽建鹰 重_ 3 0 啊一 图2 1p i v 原理图 矗麓矢量捆 p i v 测速是基于最直接的流体速度测量方法。在已知的时间间隔a t 内，流场中某一 示踪粒子在二维平面上运动，它在x 、y 两个方向的位移是时间r 的函数。该示踪粒子所 在处水质点的二维速度可以表示为 略= 警m x ( t + 百a t ) - 一x ( t ) 氟 、r m 式中，心、v ，为水质点沿x 、) ，方向的瞬时速度，k 、v ，为水质点沿工、y 方向的 平均速度，缸为测量的时间间隔。 上式中，当足够小时，h 、v ，的大小可以精确地反映1 ，。、1 ，。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。 为保证所描述的速度场矢量分布有足够的分辨率，应在诊断过程中使相邻的诊断区 域之间互相重叠，其步长一般取判读区域的1 2 。由于先后拍摄的两幅粒子图像的时间间 隔足够小，因此可以假设被测流体与运动速度在时间和空间上没有剧烈的变化。从两幅 图像中提取对应的诊断区域，设某诊断区域内两幅图像的灰度分布函数分别为取，y ) 、 g ( x ，y ) ，则他们的互相关函数为 且( x ，缈) = ，( 而力g ( x + a x ，) ，+ a y ) e a y 式中，x 、y 是粒子像水平、竖直方向上的位移。如图2 2 所示，在互相关平面上， x 、y 分别等于粒子水平和竖直的位移时，会产生一个最高峰，根据最高峰值的位置可 以确定诊断区域内粒子的平均位移。 9 山东理工大学硕士学位论文第二章颗粒流的p i 、，测量技术综述 图2 2 互相关平面 直接采用上述互相关算法运算量比较大，为了提高运算速度，通常采用傅里叶变换 来实现互相关函数的运算。本实验所采用的p i v 系统首先由计算机对两幅数字化的 p i v 图像对应的判读区域的灰度分布函数取，y ) 、g 曲分别进行快速傅里叶变换： f ( 撕) f f i f v r f ( x , y ) g 鸭) = i f f r 【9 0 渊 这样变换会在频率平面上产生较强的高频背景噪声，有可能将粒子图像的变换结果 湮没，给确定位移相关峰值带来困难。因此要用一个滤波函数与两变换结果相乘，以滤 掉高频噪声。再对滤波后的两频域变换结果做卷积，得到两判读区域粒子像的能谱： p 伪】户f 。y ) g 呦 其中，g ( ；胁) 是g j o x 蝴的共轭函数 最后对频率空间的能谱进行一次f o u r i e r 逆变换，并最终得到两诊断区域的互相关函 数：r ( 6 x6 j 沪将下1 p ( y ) 】，计算相关平面上的峰值重心位置，便可获得判读区域内粒 子的平均位移及速度大小和方向随3 堋。 2 4 1 影响粒子成像的因素 2 4 两相粒子成像技术 ( 1 ) 两相速度滑移对粒子成像的影响 粒子成像测速的基本原理是基于同一粒子成的2 个像间位移与时间的比值得到，而 在粒子位移变化足够小的情况下，假设此时速度的大小与方向不变。位移越小，测量精 度越高。图像中分辨的最小距离的取得取决于示踪粒子的粒径、流动速度、两次取像间 l o 山东理工大学硕士学位论文 第二覃颗j 蹙流的p i v 测量技术综述 隔时间及粒子的密度。一旦其他参数选定后，则流速主要取决于取像的时闻间隔。这个 间隔时间是作用于全流场的。因此，两相粒子成像测速时，受到两相速度滑移范围的限 制。 ( 2 ) 示踪粒子密度的不同对两相粒子成像技术的影响 两相流体示踪粒子不同。水平取像时，重的相的粒子容易跑出片光的照射区域，从 而很容易造成找不到示踪粒子的相关点。故作两相测量时沿重力方向取像测量相对要容 易得多。 ( 3 ) 示踪粒子的光学性能对两相粒子成像技术的影响 示踪两相流体的示踪粒子若光学性能接近，主要靠粒径的大小来区分不同相的粒子。 这在成像上没有太大困难。若示踪两相的示踪粒子光学性能不同，则可通过灰度来区分 示踪不同相的粒子。反光强度差别大，分辨容易。但差别过大，则不能在同一光学条件 下取像。对某一相示踪粒子取像清晰，另一相示踪粒子的图像会模糊不清。必须通过特 殊光学镜头处理调试，分别取像再合成在起。 ( 4 ) 示踪粒子浓度对成像技术的影响 在试验研究中，还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时，粒子像会重叠在一起， 由于激光为干涉光，所以，在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光 散斑同样可以测取散斑场的位移，但对于流场而言，由于散斑场的稳定性较差，提取散 斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时，粒子对的数目可能太少，结果将得不 到足够多点的流速，不能得到足够准确的流速分布。 2 4 2 两相速度同时测量的图像处理方法 ( 1 ) 在两相流图像处理中，与单相粒子成像技术不同，两相技术的一个挑战性问题 是如何将连续相和分散相的粒子图像区别开来，其关键在于相分离技术。通常，采用的 相分离技术有荧光标记法、粒径分辨法、灰度分辨法、中值滤波法等。通过这些技术方 法可以实现相分离。当两相间具有显著的滑移速度时，相关域内可以呈现出2 个独立的 位移相关峰，在两相间滑移速度较小或两次曝光时间间隔很小时，这2 个位移相关峰将 非常接近甚至重叠，此时，无法进行两相分离。 ( 2 ) 两相分离后，采用单相技术即可获得每一相的流速场。其存在的问题和解决的 方法与单相类似。对不同的流场可采取不同的算法进行简化，然后，再将两幅图合成起 来l 帅l 。 山东理下大学硕士学位论文第二章颗粒流的p 测量技术综述 一i i 寡墨墨e 曼奠| 童皇量皇量| 曩皇量基量量舅_ 2 5 颗粒流的p i v 测量的国内外研究现状 近几年来，p i v 作为测量流场的一种无接触全场钡4 试技术，它可以实现从一维到三 维流场的实时测量，而且它是一种非插入式测试方式，对流场没有任何干扰1 2 , t , 3 0 1 ，因而 获得了飞速发展。现已经广泛应用于风洞、多相流等的可视化研究。 气固两相流动在很多工程领域都存在，例如燃煤电站锅炉的送煤管道，冶金、水泥 等通过气力输运固体粉末物料的管道，食品、化学工业的物料输送等。关于气固两相流 的研究一直深受学术界的重视。随着激光测速技术的发展，使得更精确地研究颗粒运动及 其他问题成为可能，有不少学者应用激光风速仪( u m 和粒子图像测速( p i v ) 等技术对 圆管、射流、方管等内的气固两相流做了实验研究，得到了不少有价值的成果，一些描 述气固两相运动的模型也相继被提出【4 l 】。 国内外学者利用p i v 技术对气固两相流场的流速进行了大量的研究。 m i y k i 等刚将p i v 技术成功应用到水平管内螺旋气固两相流粒子运动，在该文中， 固体颗粒采用密度为2 5 0 0 k g m 3 ，直径为2 ”8 m m 的玻璃珠。原始图像由一个6 4 0 x 4 8 0 像素的高速照相机记录。该文详细讨论了p i v 的特征和分类，重点放在一些常见的粒子 图像测速技术比较上，通过研究显示，p i v 技术可以高度准确测量螺旋气固两相流粒子 轴向速度。同时m i y a z a k i 等为描述粒子在流场中二维方向上迁移的宏观特性，将所测流 场截面分成几个分区，通过粒子位置概率分布的统计方法获得了粒子浓度分布。并由此 揭示了影响螺旋流高传输率的粒子运动的些重要特性。 熊霏等嘲同样利用清华大学研制的p i v 系统对出1 ：3 内径为d = 1 0 m m 的冲击射流进行 了不同距离( 2 d 、3 d 、6 d 、8 d ) ，不同压比( 1 2 、1 5 、1 8 、2 o 、2 3 、2 8 ) 下的实验研 究。实验中使用小口径( 1 0 r a m ) 轴对称收缩喷嘴产生膨胀气体冲击平板，采用了固体和 液体两种粒子作为示踪粒子，低速冲击射流测量是采用液体粒子( 甘油与水1 ：l 混合物) 作为示踪粒子；其它实验工况下采用固体粒子( 玻璃微珠) 作为示踪粒子。通过实验分 析和图像处理等手段对冲击射流的流场分布、涡结构进行了适当的总结。 张东东刚利用自行建立的粒子图像测速艄，) 系统对出口内径为1 0 m m 的气固两相自 由射流流场进行了实验研究。将小粒子( 粒径在1 1 t m 左右) 和大粒子( 粒径大约1 0 0 t t m ) 混合后，添加到气流中，应用p i v 技术获得的图像，经处理后分解成气相和固相两组p i v 图像，通过数据处理后，得到了瞬时的气固两相速度场和固相浓度场的分布，同时对气 固两相流动特性进行了分析，证实利用p i v 技术可有效实现气固两相流的测量。 盛青等人在其文酬【4 2 】中指出水平管内的气力输送流动状况可以分为三类。第一种流 型中，所有的固相颗粒以悬浮的形式扩散在压缩空气中；第二种流型中，固相颗粒在管 道底部以几乎相同的间隔成群滑落、堆积，并有增大趋势；在第三种流型中颗粒群堆积 不断加剧，最终使管道堵塞。 山东理工大学硕士学位论文第二章颗粒流的p i v 测量技术综述 苏亚欣等人阳j 应用三维颗粒动态分析仪( 3 d - p d a ) 列 6 0 r a m ( 宽) x 8 0 m m ( 高) 的水平矩 形管内的气固两相流进行了测试。实验采用的颗粒为玻璃微珠，对不同工况下的水平方 向( 主流方向) 的平均速度和湍流强度进行了讨论。发现在垂直截面上的速度分布呈上部高 而下部低的分布特点，且随平均风速、颗粒体积分数和粒径的增大这种不均匀分布有加 剧的趋势。湍流强度中心位置较低，而靠近壁面的位置较高，尤其是底部，湍流强度更大 一些。在大部分位置颗粒相的速度滞后于气相，在边壁附近特别是底部壁面附近颗粒速 度较气相速度稍大。颗粒体积分数沿垂直方向上分布较均匀，越靠近壁面颗粒体积分数 越高，在管道的底部和垂直壁面的交角附近颗粒体积分数最高。 林江等人删对气力输送系统中具有不同初始状态的固粒群在加速区的气固两相流动 进行了数值模拟，通过理论分析和数值模拟发现：固粒群初始速度不为零时，固粒的运 动具有以下特性：( 1 ) 固粒在气流中的运动，初期为变速运动，经过一段时间后到达稳定， 然后作恒速运动，这与固粒的初始速度无关( 2 ) 最终稳定速度与壁面摩擦有关。 王洪涛等人哆】利用粒子图像测速技术( p i v ) ，在风洞内对与天然沙接近的石英沙风沙 流沙颗粒浓度沿高度分布进行了研究。对3 种不同轴线风速研究结果表明。风沙流中沙 粒浓度沿水平方向基本不变，而随高度呈指数c = o t e x p ( - 衫6 ) 衰减，而且其衰减速率与 风速密切相关。在较低风速范围( 轧1 2 m s ) 内，风速越大，衰减速率越慢；风速越小，衰 减速率越快，风沙运动一旦发生时，靠近沙床表面的沙粒浓度随风速变化不是非常明显， 基本趋于稳定。 图2 3 测量装置示意图 s f o h a n n o