（热能工程专业论文）气固两相圆柱绕流流动特性piv测试与研究.pdf

本文受到国家自然科学基金重点项 目( 编号：5 0 2 3 6 0 3 0 ) 和国家重点基础 研究发展规划项目( 9 7 3 项目) ( 编号： g 19 9 9 0 2 2 2 ) 的大力资助，深表感谢! 浙江大学硕士学位论文 摘要 在近一个世纪的圆柱绕流研究中，主要研究了其物理特征和转逆特性，对 气固两相圆柱绕流拟序结构的实验研究几乎是一片空白。在国家自然科学基会的 资助下，本文率先运用p i v 技术和热线风速仪等手段对水平两相圆柱绕流拟序结 构进行了相关的研究。研究了不同大小颗粒在圆柱绕流拟序结构中的瞬态分布规 律，以及它与雷诺数大小的关系和本身所具有的物理特性。取得了一些具有理论 意义和实际应用价值的成果，在一定程度上填补了国内对两相圆柱绕流研究的空 白。 本文首先建立了两相圆柱绕流拟序结构的实验系统，完成了对两相单个圆柱 绕流拟序结构演化的显示和观测。通过在不同组合工况下( 颗粒粒径分别为 2 5 + 1 0 u 1 1 1 、6 0 + 1 0 u m 、1 0 0 _ + 1 0um ，相同质量浓度、雷诺数分别为r e = 2 1 2 5 、 r e = 2 8 0 6 ) 的实验，得到了不同工况下的典型图象，并通过软件和自编程序得到 了相关的数据，研究发现，颗粒粒径是决定其扩散特征的主要因素，颗粒越小， 扩散程度越大。但随着颗粒粒径的减小，颗粒扩散趋于相同。流动雷诺数是影响 扩散的另一重要因素。随着雷诺数的增大，颗粒在整个区域的分布趋于均匀 本文的另一个研究重点是对管束绕流进行了测试，分别对单排圆柱、顺列双 排圆柱和错列圆柱在不同工况下( 颗粒粒径分别为2 5 1 0 u m 、1 0 0 + 1 0u m ，相同 质量浓度、雷诺数分别为r e = 2 1 2 5 、r e = 2 8 0 6 ) 进行了测试，其中s d = 2 为工程 中常用结构，得到了大量实时图像。通过对图像的数据处理揭示了多圆柱绕流的 些变化规律。 关键词：拟序结构：两相圆柱绕流；p i v ：颗粒扩散 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s t u d yw a sf o c u s e do nt h ep h y s i c a lc h a r a c t e ra n dt r a s t i o no ff l o wp a s t t h ec i r c u l a rc y l i n d e ri nt h ep a s tc e n t r y t h e r ea r en oe x p e r i m e n th a s b e e nf o u n d a b o u tt h ec o h e r e n ts t r u c t u r e so fg a s s o l i df l o wp a s tac i r c u l a rc y l i n d e r i nt h i s p a p e r ，t h es t u d yo fg a s s o l i df l o wp a s ta c i r c u l a rc y l i n d e rw i t hp i va n dt h e s t r e a m l i n es y s t e mi si n i t i a t e d t w of a c t o r sa sp a r t i c l ed i a m e t e r ，g a sr e y n o l d s n u m b e ra r ee m p h a t i c a l l yt e s t e di no r d e rt oc h a r a c t e r i z e dt h ep a r t i c l e d i s p e r s i o ni nt h ei n s t a n t a n e o u sw a k eo fa c i r c u l a rc y l i n d e rw a k e i ti sy i e l d e d s o m ec r e a t i v ea c h i e v e m e n t sw i t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e f i r s tac o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e dt oo b t a i nt h e i n s t a n t a n e o u sf l o wf i e l di m a g e so ff l o wp a s tt h ec i r c u l a rc y l i n d e r v i s u a li m a g e s a n dc o r r e l a t i v ed a t aa r eo fc a p t u r e du n d e rt h et y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ， w h i c hr e v e a l st h ev a r i a b i l i t yo ft h ef l o wp a s tt h ec i r c u l a rc y l i n d e r w i t ht h e e x p e r i m e n ts t u d yi n d i f f e r e n tc o m b i n a t i o no p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( t h es a m e r a t i oo fm a s sr a t e ；r e = 2 1 2 5 、r e = 2 8 0 6 、；a n dd p = 2 5 1 0 pm 、d p = 6 0 1 0 u m 、d p ：1 0 0 1 0 um ) ，w eg e tl o t s o fv i s u a li m a g e sa n dv a l u a b l ed a t a i ti s r e v e a l e dt h a tt h ef a c t o r o fp a r t i c l ed i a m e t e rp a r m a d l yd e m o n s t r a t e si t d i s p e r s i o n ：t h es m a l l e rp a r t i c l e ，t h eg r e a td i s p e r s i o n h o w e v e ，i t st e n d e n c y d e c r e a s e sw i t hp a r t i c l ed i a m e t e rd e c r e a s e b e s i d e s ，r e y n o l d sn u m b e ri s a n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o re f f e c to np a r t i c l ed i s p e r s i o na n dt h ec o n c l u s i o ni s d e m o n s t r a t e da sb e l o w ：t h eh i g h e rr e y l o n d sn u m b e rt h em o r ee v e no fp a r t i c l e d i s t r i b u t i o n i nt h es e c o n dp a r t ，t h eg a s s o l i df l o wa r o u n dc i r c u l a rc y l i n d e si st e s t e d a s t h es a m ec o n d i t i o n sl i k et h eo n ec i r c u l a rc y l i n d e r , t h ee x p e d m e n ta b o u tt h e g a s - s o l i df l o wa r o u n dt w oa n dt h r e ec i r c u l a rc y l i n d e r so fe q u a ld i a m e t e rd a r r a n g e d i nas i d e b y s i d e ，s i xc i r c u l a rc y l i n d e r sa r e a v e r a g ea r r a n g e di n t a n d e mw a y , f i v ec i r c u l a rc y l i n d e sa r r a n g e di n s t a g g e r e dw a y ( t h ef i r s tr o w a r r a n g e dt h r e ec y l i n d e r si nas i d e b y s i d e ，t h es e c o n dr o wa r r a n g e dt o w 2 浙江大学硕士学位论文 c y l i n d e r si nas i d e b y s i d e ) h a db e e nd o n e w ea l s og e tal o to fv i s u a li m a g e s a n dv a l u a b l ed a t a ，i tr e v e a l e ds o m et h e s i sa b o u tt h eg a s - s o l i df l o wa r o u n d c i r c u l a rc y l i n d e s k e yw o r d s ：c o h e r e n ts t r u c t u r e s ；g a s s o l i df l o wa r o u n dc i r c u l a rc y l i n d e s ；p i v ； p a r t i c l ed i s p e r s i o n ； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 钝体绕流和非定常尾迹是流体力学的经典研究课题。所谓钝体是指这样一些 物体，他们的绕流会在大部分物面发生分离。钝体绕流和非定常尾迹不但涉及流 动分离、涡旋的生成和脱落，旋涡的相互干扰等许多基本的理论问题，而且对许 多实际工程问题也有非常重要的意义，因为大量的工程结构都是钝体，诸如高层 建筑、烟囱、冷却塔、以及在燃烧技术领域中经常遇到换热器、锅炉、冷凝器等。 这种分离流的重要特征是在尾流中出现周期性涡脱落，可以诱发作用在物体上纵 向和横向的非定常载荷，激起结构的振动响应，即涡致振动。有时涡致振动会造 成结构毁损的严重后果，1 9 0 4 年美国t a c o m a 吊桥在大风中振毁就是一个典型例 子。所以钝体绕流问题一直是研究的热点问题。 从1 7 6 8 年提出绕物体流动“阻力绝对等于零”的这个疑题算起，对钝体绕 流问题的研究，已有2 0 0 多年的历史。1 9 1 2 年卡门系统的研究了涡街的形成和 稳定性问题并确定了涡系动量与尾流阻力之间的关系，成为钝体绕流研究的一个 重要里程碑。近年来，由于工程实际的需要，钝体绕流再次引起了人们的极大兴 趣。 颗粒在钝体尾迹中的扩散分布是工程中一种普遍现象，而颗粒在圆柱尾迹中 的运动分布则更为普遍。它们有着广泛的工业应用和技术背景，譬如，煤粉气流 喷入带圆形钝体稳焰装置的燃烧室中，此时煤粉在圆形钝体尾流中的运动就属于 典型的固体颗粒在圆柱尾迹中的运动。叉如大型循环流化床锅炉的撞击圆管式惯 性分离器，含灰的气流冲刷锅炉对流受热面的管束等，这些颗粒都是在一个或多 个圆管尾流中进行扩散运动。由此可见研究气固两相圆柱绕流中颗粒在圆柱尾流 中的扩散机理在工程实践中极为重要。 在气固两相流动中，由于颗粒相的存在，致使气固两相流动的特性比纯气体 单相流动要复杂的多。近2 0 年来，国内外许多学者对气固两相流动特性进行了 广泛的实验研究和理论研究，取得了一定的成果。但是，由于影响气固两楣流动 特性的因素很多，又涉及到流体力学、热力学、传热传质学、物理化学、燃烧学 4 浙江大学硕士学位论文 和流变学等许多相交学科，故迄今为止气固两相流动的内在规律，特别是气固两 相湍流运动中气相和颗粒相的相互作用等问题，仍远未被人们所了解和认识。 气固两相圆柱绕流运动中颗粒相和流体相的湍流扩散和相互作用机理是一 个极为关键的问题，就国内外所见的报道分析，这一方面的研究还停留在对个别 实验的分析和较低r e 数的数值模拟，缺乏系统和深入的研究，特别是对颗粒相 和流体相湍流拟序结构之间的研究更为少见。为了能建立更精确和完善的描述气 固两相绕流湍流运动的数学模型，解决工程实际中的问题，必须深入了解圆柱绕 流的动力学特性认识和掌握圆柱绕流中拟序结构的作用。 1 2 湍流拟序结构及其研究意义 湍流的拟序结构是湍流研究的重大发现，它表明湍流并非完全不规则的运 动，而是在表面上看来不规则运动中具有可检测的有序运动，这种拟序运动在湍 流脉动的生成和发展中起着主导作用。所谓的“拟序”运动，是指在切变湍流 中不规则地触发的一种序列运动，它的起始时刻和位置是不确定的，但一经触发， 它就以某种确定的次序发展特定的运动状态。研究发现，在自由射流、尾流、近 壁边界层等切变湍流中，都存在着明显的大涡运动。这种确定的、可分辨的大涡 旦随机地在流场中出现，不仅能在主流方向维持一段距离，经历撕裂、合并乃 至破磅过程，而且能周期地重复出现。研究表明，这些相于涡是一团涡量聚集的 流体团，其相互作用过程是湍能输运的主要方式与机制。 图l l 不同不同r e 数下的圆柱绕流的涡结构圈 浙江大学硕士学位论文 图l i 是w i l l i a m s o m 拍摄的不同r e 数下的圆柱绕流的涡结构图。 拟序结构借用了物理学中拟序的概念( 在光、声或电动力学中，拟序表示相 互干涉的两个波之阳j 的协调关系) ，用来特指剪切湍流场中不规则触发的一种序 列运动。它的起始时刻和位置是不确定的，但是一经触发，它就以某种确定的时 间序列，发展特定的运动状态。一般认为，拟序结构具有以下特性： 1 具有典型的组合结构，其最大的结构尺度与流动的横向尺度相当。迄 今所发现的拟序结构可归纳为线涡、涡环、发夹涡、螺旋涡四种形式 或它们的组合。 2 拟序结构沿下游所保持的距离大于它们的特征尺度。 3 拟序结构的形状和动力学参数都具有高度的规律性和重复性 4 拟序结构对湍流的特性( 如能量、切应力、流体的卷入和掺和、声波 的放射等) 有很大的贡献。 5 拟序结构被人为破坏后，又能够自发地准周期性地重复形成。 对拟序结构进行检测的实验方法和对它们动力学特性的研究，有助于理解湍 流本身的疏运机制，为建立合理的湍流工程模型和湍流控制提供理论依据。拟序 结构对于湍流生成和发展有主宰作用，因此抑制或消除大漏结构可能抑制整体的 湍流强度，甚至使流动层流化。是近代湍流减阻和降噪的主要思想。 拟序结构在工程应用中的重要地位表现在： 1 流场中的拟序结构包含了一定的能量，这意味着通过控制拟序结构的 强弱有可能改变湍流场特性的目的。 2 拟序结构是产生流动噪声的主要根源。因此，对拟序结构的抑制和破 坏是降低流动噪声的一个有效途径。 3 拟序结构与广泛地存在于自然界与实际工程应用中的两相剪切流动 有重要关系。研究并掌握剪切流中拟序结构与颗粒的相互作用机制对 能源利用、机械磨损、环境污染的控制能够起到重要的作用。 迄今为止，人们对单相圆柱绕流拟序结构的已经有了一定的认识，但是由于 实验条件和实验技术的限制，人们对两相圆柱绕流拟序结构的研究工作还很有 限，因此，本文考虑利用流动显示技术，借助p i v ( p a r t j c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 6 浙江大学硕士学位论文 技术探索两褶圆柱绕流湍流拟序结构的更多奥秘。 1 3 圆柱绕流运动综述 1 3 1 圆柱绕流研究概况 圆柱绕流是一种复杂的流动现象，它由三种现象组合起来的，边界层流动， 分离的自由剪切层流动和尾迹流动。在近一个世纪的研究过程中，无论是实验研 究还是数值计算都获得了大量的研究成果。它们可以用三个标志性研究成果来作 为代表： 1 ) 1 9 1 2 年冯卡门”1 系统的研究了涡街的形成和稳定性问题并确定了 涡系动量与尾流阻力之间的关系，成为钝体绕流研究的一个重要罩 程碑。 2 ) 1 9 5 4 年，r o s h k o “1 运用实验方法，第一个发现了圆柱绕流存在着转 捩区，并且确定其尾迹在低r e 数和中等r e 数之间存在着三个不同 的发展阶段：线性流动阶段，转捩阶段和不规则的湍动阶段。 3 ) 1 9 9 2 年，w i l l i a m s o m 哪通过实验首先精确确定圆柱绕流三维转捩的 雷诺数发生范围为1 8 0 2 6 0 。并在近壁区发现流向涡存在两种模式， 它们都与三维转捩有关。 1 、实验研究 r o s h k o ( 1 9 5 4 ) ”首先通过实验观察到圆柱尾迹中转捩区的存在，发现在此区 域内尾流速度具有独特的不规则性。他指出从低r e 数到中等r e 存在着三种不同 的尾迹状态：层流，转捩和湍流。并且，他报道了屋流速度波动的独特不规则性。 1 9 6 4 年，b l o o r 吲在实验中得到这种与尾流三维特征相关的低频不规则性参数， 并指出是它导致了下游湍流运动的发展。h a m a ( 1 9 5 7 ) ”1 ，g e r r a r d ( 1 9 6 6 b ，1 9 7 8 ) ” 在研究圆柱尾迹时，提出了一个与转捩楣关的概念：尾迹小尺度结构。 岑可法( 1 9 6 3 ) “”对圆柱后尾迹的湍流结构和管簇后尾迹进行了二元( 部 分是三元) 的测量。通过对大雷诺数工况( r e 1 0 0 0 0 ) 的实验研究得到，当射流绕 圆柱流动时，在和气流方向相差9 0 的圆柱表面附近，将出现边界层的脱离现象， 之后在圆柱后形成了强烈的旋涡区，部分气流作反向运动( 回流区) 。使得湍流 浙江大学硕士学位论文 强度在绕圆柱后立即提高了6 7 倍，圆柱后尾迹处横向脉动明显大于纵向脉动。 同时使方向关联系数相应降低，形成有利的湍流混合条件。该结论为早期解决在 非流线型物体后湍流结构中的稳定燃烧、强化热质交换的研究提供了重要依据。 w i l l i a m s o m ( 1 9 9 2 ) ”1 在实验中发现，近尾流区流向涡的形式存在两种模式， 每一种模式发生的r e 数范围不同，都与三维转捩相关。第一种模式发在r e 大 于1 8 0 时，尾涡出现不连续的变化，主涡不稳定，并生成大尺度涡环结构。第二 种模式r e 数大于2 4 0 ，出现小尺度流向涡。两种模式的流向涡结构的长度尺度 都要小于涡街的一个主波长。同时发现在转捩区中存在大量的不同密度的点状结 构，它们是在展向单元内的主卡门涡彼此间发生相变由“涡断层”所引起的 w i l l i a m s o m 1 等在1 9 9 6 年研究了在不同r e 数下绕圆柱绕流的涡的三维形 态：同时给出了在不同r e 数下涡结构的变化呈现的特性：1 、原始的卡门涡2 、 出现小尺度的涡结构3 、大尺寸的涡结构发生破散4 、不稳定剪切层在分离之前 变成湍流。 图1 - 2 随雷诺数增加涡街变化的三维幽像 张玮1 等利用数字式p i v 技术在阵风环境风洞中对g o = 5 0 0 时的圆柱绕流 进行测量，发现柱后的涡系结构具有明显的规律性，与圆柱尺度相当的旋涡主要 位于圆柱的后方距柱体壁面1 - - 2 倍直径的区域，有涡量集中区与其中心对应。距 离圆柱壁面最近的区域涡量模最大，也最为集中，两侧涡量“带”沿流向朝下游扩 浙江大学硕士学位论文 散。从连续的瞬态涡量变化过程来看，涡量似乎是从圆柱上下两侧壁面生成，然后 沿流向“抛出”，难负交替。 在研究管束绕流方面，无论何种排列方式，也都有不少的发现： z d r a r k o v i c h b 1 用烟迹显示了各种三角形排列的三柱体层流尾迹，结果表 明各自的卡门涡街可以共存，但旋涡衰竭很快，并很快形成新的涡街。 w i l l i a m s o n ( 1 9 8 5 ) 1 1 4 1 用流场显示技术研究并排两柱体的层流尾迹，结果表 明由于尾迹之间的作用，鼯柱体的尾迹可以合成一个尾迹。并观察了雷诺数在 1 0 0 到2 0 0 之间两柱体后尾迹的涡结构，发现转向相同和相反的涡结构都存在， 且占主导地位的是旋转方向相反的涡街结构大涡结构在横向方向的速度符号 是相反的，它们的相互作用使横向速度的值变小 g a r a s h it “在8 6 年研究了串列四圆柱绕流的问题的，研究发现，绕流 情况随着的t d ( t 为管间距，d 为圆管直径) 不同可以分为四种。 ( 1 ) 当t d = 1 1 8 较小时，第一个圆管的尾迹区包含了其他的圆管。 ( 2 ) 当t d = 1 3 2 增大时，第一个圆管的两个边界层交替地附着到笫三和第四 圆管上第三圆管前缘点的压力比第二个圆管后缘点的压力要低。 ( 3 ) 当t d = ! 6 2 时，第一个圆管的上下两边界层交替地附着到第二和第三团 管上。 ( 4 ) 当t d = 2 5 0 时，第一个圆管的上下两边界层只附着到第二个圆管且在第 三个圆管前形成强烈的旋涡区。 d s u m n e r “8 3 等利用热线风速仪和p i v 对并列两圆柱和三圆柱绕流进行了实验 研究， 7 口= 5 0 ，我们可以清楚看到两个相互独立的涡街，而每根圆柱的升力 系数均近似为零，其阻力系数的大小与单根圆柱基本一样，d = 2 0 两个圆 柱后的涡街已不再是独立的涡街，两个涡街相互缠绕在一起，无法辨认是两个 涡街或单个涡街。两个圆柱体的阻力系数均高于单根圆柱的阻力系数，两个圆柱 的升力系数的大小表明当两圆柱体接近时，由于圆柱间隙流动非常强烈，导致柱 体相互排斥。，刀= l 两个圆柱体的尾迹基本混在一起，近似于一条涡街，两 圆柱缝隙间的流体偏向一侧，则一侧的尾迹变窄，而另一侧的尾迹变宽。 9 浙江大学硕士学位论文 t | d = 5 圈卜3 不同口f 并列双圆柱绕流图像 陈斌“”等利用p i v 技术对管柬间的单相瞬态流场进行了多个工况的实验测 量，得出以下结论：管束间每根圆管后面的近尾迹区与单圆柱绕流相似，都会出 现旋涡交替脱落的现象。同时，在管间区域，由于下游圆管的阻碍作用使得大涡 结构无法充分的自由发展。并发现各圆管后尾迹区的轴向速度，轴向脉动，径向 脉动速度分布关于尾迹中心线成对称分布，而径向速度却成反对称分布。 梁绍荣“”等在1 9 9 6 年利用三维p d a 系统对气固两相流绕圆管和型槽钢的流 动特性进行了测试，分析了绕流的速度、湍流强度和湍动能的分布，得出了一些 结论：气流或颗粒湍流具有明显的方向性，总体上，颗粒的横向湍流强度要大于 纵向和垂直方向的湍流强度i 在同一位置，颗粒湍流强度要大于气流的湍流强度。 分离元件管日u 颗粒脉动动能要大于气流脉动动能。管后颗粒脉动动能要小于气流 脉动动能。气流和颗粒分离区域脉动动能比来流脉动动能要高，管后脉动动能则 要高于管静，气流脉动动能在管后增加尤其明显。 1 0 浙江大学硕士学位论文 樊建人等利用p d a 对气固两相圆柱绕流的边界层进行了实验分析，从中 发现大颗粒减弱流体的湍流度，而小颗粒这种减弱效应却较小。同时，由于粒子 的存在使得边界层的分离点被推迟，从而出现了一个较薄的边界层。 2 、数值模拟 吴文权啪1 ( 2 0 0 1 ) 利用离散涡方法数值模拟了高雷诺数下圆柱绕流旋涡结构 的发展，计算结果发现：远场离散涡有形成二个涡的涡对及三个涡的涡对结构的 趋势。并对流体运动中涡对结构的本质进行了阐述；远场形成的二次涡对及卡门 涡街是由于流动本身的动力不稳定而引起的。从而增加了对远场尾迹流及涡对结 构的理解。 樊建人”“( 2 0 0 3 ) 运用谱元方法对气固两相绕流进行了直接数值模拟。通过 研究颗粒大小，流动雷诺数两个关键因素对颗粒扩散运动的影响来刻画气同两相 圆柱绕流的物理特征。得出了以下结论：l 、颗粒在圆柱尾流拟序结构中运动， 其粒径大小是决定其扩散特征的主要因素。颗粒越小，扩散程度越大。2 、圆柱 绕流独特的涡结构，导致颗粒的扩散特征区别于混合层中颗粒扩散分布。3 、流 动雷诺数的变化对流场中颗粒扩散分布作用明显，随着流动雷诺数的增大，导致 颗粒在流场中心轴线附近区域以外的空间分布均匀。涡团脱落频率增大，有助于 颗粒在流场中心轴线附近区域内分布均匀。 黄远东1 等通过对气固两相圆柱绕流迸行数值模拟发现，s t 1 的颗粒几乎 不受旋涡的影响，其运动主要由本身初速度和惯性决定，而s t 3 0 0 时，为亚临界区，此时，物面上的边界层为层流，但物体后面的尾迹已开始转变 为湍流，形成湍流涡街；r e 2 5 1 0 5 为超临界区，此时物面的边界层转变为湍 流；r e 3 * 1 0 6 以后，为高临界区，此时尾迹中再次出现大尺度旋涡现结构，某 种周期性的现象又重新发生 令砺 锹劬 穆姒 图l - 5 绕圆柱流动状态示意图 a ) r e 5 流曲充分离：( b ) 5 r e 4 0 ，耀流辩涡：( c ) 4 0 r e 15 0 ，豫流满街： d ) i5 0 4 r e 3 x1 0 6 。黼流涡舒靛新建专、 浙江大学硕士学位论文 1 5p i v 测试技术 p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y 粒子图象测速技术) 是在流动显示技术 的基础上，利用图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。p i v 技术的主 要特点就是突破了空间单点测量技术的局限性，可在同一时刻记。录下整个测量平 面的有关信息，从而可以获得流动的瞬时平面速度场、脉动速度场和涡量场等。 因此p i v 非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构。同时现在的p l y 系统还具 备了与单点测量仪器( 如多普勒激光测速仪l d a 等) 相当的空间分辨率。因此即使 仅限于二维测量，p i v 也是一种先进的研究复杂流动的定量工具。 近年来，由于计算机技术及激光应用技术的迅速发展，p i v 技术已趋于成熟。 p i v 系统主要由照明、粒子的选择、成像和图像处理等部分组成，如图1 6 所 示。照明部分主要包括连续或脉冲激光器、光传输系统和片光源光学系统；成像 部分包括图像捕捉装置和同步器等。粒子主要采用有较强的光散射特性和较高的 信噪比的粒子。图像处理部分包括帧捕集器和分析显示软件。帧捕集器将粒子图 像数字化，并将连续图像储存到计算机的内存中。分析显示软件分析视频或照相 图像，实时显示采样的图像数据，显示速度矢量场。测试时，激光器发出激光束， 光学元件将光束变成片光源照亮所测流场。如是脉冲激光器，需设置脉冲问隔， 脉冲延迟期和激光脉冲等，高速c c d 或c m o s 相机捕捉激光照亮流场的两幅图像， 并将图像转化为数字信号传入计算机。 图l - 6p i v 系统的组成 p l v 基本工作原理：通过在流场中布撒大量示踪粒子来跟随流场运动( 空气中 使用固体颗粒或者液体小颗粒烟雾，水中使用密度接近水的空心玻璃微珠) ，把 浙江大学硕士学位论文 激光束经过组合透镜扩束成片光来照明流场，使用c c d 拍摄流场照片，得到的前 后两帧粒子图像，利用f 1 0 w m a n a g e r 软件对图像拍摄进行在线监测和图像存储。 通过互相关计算对图像中的粒子图像进行处理得到流场一个切面内各点的速度、 涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。 1 5 1 图象处理算法睫副 根据所处理流场的粒子浓度，常用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 t v ( p a r t i c l e t r a c k ir i gv e l o c i m e t r y ) 方法。另外由于不同流动速度其计算原理不同，这两类 算法又有多种各具特点的算法。 适用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( n i s h i n o ，1 9 9 1 。“：k a s a g i ，1 9 9 1 “7 1 ：g u e z e n n e e ，1 9 9 4 。”) 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。该方法的 优点是粒子误对应少，较常用。二值化互相关法( a d r i a n ，1 9 9 6 。；y a m a m o t o ， 1 9 9 3 ”；y a m a m o t o ，1 9 9 4 。”) 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、伸缩等变形时，则可靠性较差。而速度梯度张量法( i s h i k a w a ，1 9 9 7 ”3 ) 考 虑了变形运动，弥补了二值化互相关法的不足。 适用于高粒子浓度的算法有自相关法，扶度分布互相关法，m q d 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，应用已越 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，因此进行了改进，提出了m q d ”法( m i n i m u m q u a d r a t i cd i f f e r e n c e ) ，优点是计算时间显著缩短。由以上分析可见，互相关 技术已被广泛应用于各种图像处理方法中，既适用于不同粒子浓度的图像处理， 又适用于各种不同流动的图像处理。 由于本文所用p i v 采用的是互相关算法，下面就着重介绍一下互相关技术 的原理。 如果把两幅流场颗粒运动图像看成是两个随机分布的数据集合，就可以用相 关函数来度量两幅图像的相关性，即相似程度。相关函数有自相关和互相关函数。 浙江大学硕士学位论文 当两个实函数厂( z ) 和g o ) 的积分f o 厂( z ) g 存在时，就称函数厂( 力和 g ( x ) 相关。将其归一化的积分称为相关函数，是估计两个函数间相互关系的参 数，有：c 穗：1 肇型兰 ( 1 1 ) e l ，( 刮出旧( 划2 出 对于g ( x ) ，设原点移动变量为s ，就得到关于s 的函数 o ) = 厂o ) g ( x - s ) d x ( 1 2 ) c 詹( s ) 被称为互相关函数。 图1 7 ( a ) 和( b ) 分别为t 时袤忻口t + t 时刻颗粒运动图像。 ( a ) t 时刻粒子像某一查问区 ( b ) t + t 时刻粒子像同一位置查问区 图1 7 互相关算法原理图 图1 - 7 ( a ) 为t 时刻粒子位置，( a ) 为t + at 时刻粒子像位置，箭头表示粒子在 t 间隔内的位移。 将t 时刻流场中某一区域的图像函数表示为，( 善，力= i ( 工，y ) ，则在t + t 时刻对应的图像函数可表示为 g ( x ，y ) = i ( x ax ，y 一y )( 1 3 ) 根据互相关函数的定义，可以得到暑( x ，力和，( x ，y ) 函数的互相关函数，有： c o ；，fy ) = l p b ，n 甑x - - f x ，y r ，) d x d y = 疆l q ，n l b 一缸一fx ，y 一妙一f ，) c b c d y ( 1 4 ) 另外，根据自相关函数定义，函数1 ( x ，力的自相关函数 c 血( 。，o ) = j p ( z ，y ) ，( x - - ，- - z y ) a x a y ( 1 5 ) 进而 1 6 浙江大学硕士学位论文 c 詹( f ，7 y ) = ( f ，+ b x ，f ，+ 妙) ( 1 - 6 ) 自相关函数是偶函数，且在原点取得最大值( 孙仲康，1 9 8 2 ；宗孑l 德，1 9 9 7 ) ， 即有不等式： c 血( 0 ，o ) c 麻( ，f y ) ( 1 7 ) 将式( 1 1 1 ) 带入式( 1 1 0 ) 中，有： c 詹( o ，0 ) c 詹( a x ，) 综和以上分析，可以得出以下结论：通过计算流场中某一区域的图像函数对 应两个时刻的互相关函数，根据互相关函数最大值所在位鼍，确定该区域内的流 场在两个时刻内的平均位移，即颗粒在时刻t 和t + at 时刻的位移，由于图像 对的采集间隔t 已知，就可计算出颗粒在t 内的平均速度： v 。：坐( 1 8 ) m v ：坐 ( 1 9 ) 1 5 2p f v 用于气固多相流场测试现状 p i v 应用于多相流动测试中，为了考虑与单相流的区别，在气固流中，取细 颗粒( 小于2 5 p r o ) 为气相示踪粒子，粗颗粒( 大于2 5 p r o ) 作为固相示踪粒子。 这样，在两相之间就会有明显的区别，利用一些技术( 如t h ed i g i t a lm a s k t e c h n i q u e ) 就可以将不同相的相关信息区分开来，将p i v 技术应用于多相流动 流场中，就可同时确定各单相的速度分布( l i n d k e n ，1 9 9 9 ) o 。虽然在p i v 应用 于气固多相流动时存在着粒子的三维效应，照明光源的选择和图像处理算法的改 进等许多难题，但已有不少研究者做出了初步的探索，石惠娴等人对p i v 技术 在这方面的应用作了很好的总结，并将总结出的经验运用到循环流化床流动特性 的测试，取得了一些研究成果。 l i n d k e n 等( 1 9 9 9 ) 用p i v 测试了多相流中各相的速度场，指出当研究多相 流时，为了同时确定各单相的速度分布，将来源于不同相的信号区分开来是必要 的。m i y a z a k i 等( 1 9 9 9 ) 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。在浚实验中固体颗粒采用密度为2 5 0 0 k g m 3 ，直径为2 9 3 9 a m 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( n a ch s v 一1 0 0 0 ) 。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，但同时指出对 浙江大学硕士学位论文 于测量径向和周向速度确有困难。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 一些重要特性。魏名山”1 等( 2 0 0 0 ) 为研究静电旋风除尘器内的流场，利用p i v 对不同进口流速、不同截面位置的流场进行了测定。实验时p i v 系统中采用最大 脉冲能量为5 0 m j 的激光器照明，采用分辨力为1 0 2 4 x 1 0 2 4 的c c d 相机捕捉图像。 通过专用的软件采用互相关或自相关的统计技术匹配图像粒子对。在测试截面位 置相同，出口流速不同时，获得了粒子切向速度和径向速度沿半径方向的分布。 在测试截面进出臼流速不变时，获得了不同截面切向速度沿径向分布。实验结果 表明，在静电旋风除尘器的捕集空间内，径向速度值变化很小，切向速度沿轴向 及径向的变化很大。 石惠娴。州采用p i v 技术，对循环流化床冷态试验台进行了速度场测试，利用 高浓凄气固两福流的互相关舀像处理算法，获取流场矢量速度图，进而获取颡粒 的速度分布，研究循环流化床气固流动结构的机理。 郑水华1 采用p i v 技术，结合热线风速仪对气固两相圆湍射流进行了实验研 究，不仅获取了大量的圆湍射流的实时图片，还获取了轴向速度，径向速度，脉 动速度等资料，对圃湍射流中颗粒与气相拟序结构之间的相互作用作了相关的研 究。 p i v 技术可以给出多相流动系统中给定面的瞬态全流场流动信息，对于确定 每一相的时间和空间平均流动信息包括速度和分散相阻力分布具有足够的精确 度。本文将把p i v 技术运用于两相圆柱绕流的研究，对其作一个尝试性的研究工 作。 1 ，6 本文研究工作 本次实验的主要工作是设计并搭建气固两相圆柱绕流拟序结构实验系统，运 用流场显示技术、p i v 技术和热线风速仪，完成在绕流情况下对两相圆柱绕流拟 序结构的显示和观测。研究两相圆柱绕沆过程中气相拟序结构与颗粒相相互作用 的运动学和动力学规律( 通过研究不同s t o k e s 数和不同的流动r e 数两个关键因 素对颗粒扩散运动的影响来刻画气固两相圆柱绕流的物理特征) ，并对不同排列 浙江大学硕士学位论文 方式的气固两相圆管束绕流进行了实验研究。通过对相应图片的处理，得到了各 类速度分布图和湍动能分布图，并对其进行分析，得出了一些结论。为建立数学 物理模型、检验数值模拟结果以及实际的工程应用提供依据和参考。 9 一浙江大学硕士学位论文 第二章两相圆柱绕流拟序结构实验系统 在两相流动中，由于热线或热膜很容易被离散相打断或污染，因而用于单相 湍流拟序结构定量测量的热线风速仪法，已经不适合用于两相圆柱绕流拟序结构 的实验研究。因此，本次实验采用p i v 测试技术，通过供粉器加入定量的玻璃珠 作为固相，完成在圆柱绕流情况下对两相湍流拟序结构演化的显示和观测，获得 了两相圆柱绕流中拟序结构和颗粒相互作用的瞬时图象库，研究在两相圆柱绕流 情况下气相拟序结构与颗粒相相互作用的规律( 研究s t o k e s 数、r e 数变化对颗 粒行为及湍流的影响、) 。 2 。1 实验系统的研制 首先介绍本次研制的气固两相圆柱绕流拟序结构的实验系统。它所拥有的功 能模块具有以下功能：( i ) 提供气源并组织稳定均匀的流场，( 2 ) 通过简单的操 作实现各种不同的实验工况，并完成实验工况的参数标定，( 3 ) 完成对圆柱绕流 图像的拍摄和图像处理，( 4 ) 实现连续定量供粉和除尘等功能。 图2 1 为该实验台的示意图，他主要包括；气源，主体段，供粉系统，旋 风分离器，引风机和p 1 7 测试系统。 1 气源 3 5 卜进风口；2 - 调节阀：3 - 供粉器；4 一实验段 5 - p i v 测试系统；6 一旋风分离器；7 一引风机。 图2 - 1p l yt l i j1 二圆柱绕流实验装置图 2 0 浙江大学硕士学位论文 浚实验所用的气源是由浙江大学流体力学实验室的大球稳定气源提供的，它 能提供从1 | f h 一1 5 甜h 的稳定气源。实验时通过三通、阀门构成一个气流排放 支路，在气源功率一定的情况下，能通过调节排放支路的阀门实现对系统主流路 气量的控制，从而达到调整进口气流流量，改变气流r e 数的目的。 2 主体段 实验主体段出气流稳定段，收缩段以及测试段组成。全部采用透明有机玻璃 由流体实验室的技师加工而成，能够很好的进行实时图像的拍摄以及观测。 为了尽量减少阀门调节、电机脉动对气流造成的扰动，设计了较长的稳定段， 并安装了阻尼网。稳定段分为两段，气流流通过第一段时，阻尼网对气流进行第 一次整流。气流进入第二段，阻尼网对气流进行第二次糇流，以进一步打碎气流 中的大旋涡，使得小旋涡受到阻尼作用而很快消失，从而达到降低气流湍流度的 目的。第二段中的阻尼网长度较长，主要是为了拉直气流方向，减少横向流动， 以使气流方向和稳定段以及测试段轴线方向一致。 测量对象为在方形截面的实验段中间横向布置直径为l o m m ，长为1 6 0 r a m 的 圆柱体，圆柱体通过两侧可拆卸的面板固定，柱体不同的排列方式可通过更换不 同的面板来达到；实验段竖直放置，气流从上而下横吹柱体，测量截面为柱体至 其下游l o c m 的对称面上；由于柱体长度远大于其直径，可以忽略柱体两端的影 响而认为是无限长柱体绕流问题。 1 法兰 2 阻尼网 3 一收缩段 4 稳定段 5 测试段 图2 - 2 主体段示意图 3 供粉系统 供粉系统由干燥器，供粉器组成。 实验前，我们对玻璃粒子进行了筛选，并用干燥器烘干，保存在密闭容器中， 浙江大学硕士学位论文 以防止玻璃粒子受潮，而影响实验效果。 供粉器如图2 3 所示，主要由搅拌电机，壳体，锥形锤，刚性轴和定位面 等组成。电机维持一定的转速，可以起到搅拌的作用。通过调整与之相连的刚性 轴的上下高度，可以改变锥形锤与出粉口之间环形间隙的大小，从而实现对颗粒 流量的控制。( k n a p pm r ，1 9 7 6 ：r u d i n g e rg 1 9 7 5 ) ，- 一i j 。捷捧毫机z 壳黏3 定璺垂f i ! | 攫鞋5 接彭锺 圈2 - 3 供粉器结构示意圈 4 旋风分离器和引风机 为了颗粒的再次利用，并减少颗粒的弥散而对人体造成伤害，本次实验特地 加装了旋风分离器，气体携带颗粒进入旋风分离器后，在分离器处气固分离，颗 粒通过搜集器重新进入循环，而气体通过引风机排入大气中。 5p i v 测试系统 在搭建完实验主体台架的基础上，我们引入了p i v 测试系统。 图2 - 4 p i v 测试系统布置图 瓮、 妒 画 浙江大学硕士学位论文 p i v 系统主要采用d a n t e c 公司出品的f l o w a p 系统，硬件包括照明系统， 成像系统，p i v 2 1 0 0 处理器( 主机) ，软件系统则主要采用f l o w m a n a g e r 软件。 其设备详细介绍如下： 一照明系统 针对研究的潦场的特性，这犟