（流体机械及工程专业论文）湍流混合层中粒子扩散的实验研究.pdf

摘要 y 3 6 8 s 7 本文综述了亟担鎏中固粒扩散的研究成果实验研究了水平管道 混合层水流场中的塾王堑塞问题以阐明违速蔓一蝗流场中控制粒子 运动的主要因素。在二维墨全墨鎏扬开始处加入球形粒子，采用激光 多普勒测速仪( l d a ) 测量了单相混合层和混合层中所加入固粒的二 维速度场，同时也用粒子成像测速仪( p iv ) 分别测量了单相和液固 两相流流场。获得了这样的湍流场中两相的原始数据和流动显示照 片。在此基础上计算了两相的湍流强度、关联量。分析经过处理后的 数据和图片。( 得到以下结论： 粒子扩散程度强烈地依赖于粒子尺寸和对周围流场的响应时间， 斯托克斯数( s t ) 是混合层流场中粒子扩散的控制参数。具有较小s t 的粒子，随着涡结构的流线运动在实验的s t 范围内，随着s t 增大， 粒子扩散程度加大拟序结构对粒子在剪切层流场中的扩散起决定作 用。 本文的研究结果为控制流场中的粒子混合程度提供了参考依据。 i i 塑婆查兰堡主堂堡堡塞一 a b s t r a c t r e s e a r c hr e s u l t s c o n c e r n i n g t h ed i s p e r s i o n o f p a r t i c l e s i n t w o p h a s e f l o wa r er e v i e w e d t h ed i s p e r s i o n o fs o l i d p a r t i c l e s i na t u r b u l e n ts h e a rl a y e rh a sb e e ni n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yt o c l a r i f y t h ed o m i n a n tf a c t o r sw h i c hg o v e r nt h ep a r t i c l e m o t i o ni nt u r b u l e n t w a t e r f l o w s p h e r i c a lp a r t i c l e sw e r el o a d e da tt h eo r i g i n o fa t w o d i m e n s i o n a lm i x i n gl a y e r f l o wm e a s u r e m e n t sw e r ec a r r i e do u tb y al a s e rd o p p l e ra n e m o m e t e r ( l d a ) w h i c he n a b l e dt h em e a s u r e m e n t0 f b o t hp a r t i c l ea n dw a t e rp h a s ev e l o c i t i e s ，a tt h es a m et i m e t w o p h a s e f l o wf i e l dw e r em e a s u r e db yp a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y ( p l v ) r a w d a t aa n df l o w m a p0 ft w o p h a s ew e r eo b t a i n e d s 0t u r b u l e n c en u m b e r a n duv c o r r e l a t i o nw e r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e d a f t e ra n a l y s i s t h e c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h ep a r t i c l e d i s p e r s i o ns t r o n g l yd e p e n d e do nt h ep a r t i c l es s i z e a n dt h er e s p o n s et i m et ot h ef l o wf i e l d a r o u n d ，t h es t o k e sn u m b e ris t h er e a lc o n t r o l p a r a m e t e ri nm i x i n gl a y e r t h ep a r t i c l e sw i t hs m a l l er s t o k e sn u m b e rm o v e a l o n gt h es t r e a m l i n eo fe d d ys t r u c t u r e t h er a n g e o is tv a l u e sc o v e r e di nt h e p r e s e n ts t u d y ，t h ed e g r e e0 ft h ep a r t i c l e d i s p e r s i o ni n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ee n l a r g e m e n to fs tv a l u e c o h e r e n t s t r u c t u r ed e t e r m i n et h ed i s p e r s i o no ft h ep a r t i c l e si ns h e a rl a y e r o u rr e s u l t s p r o v i d et h er e f e r e n c eb a s e sf o rc o n t r o l l i n gt h ee x t e n t o f p a r t i c l e s m i x i n g 1 l i 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 8 1 1 引言 混合层流场中的粒子扩散现象在现实生活中常见而且非常重要。在提倡 环保的今天，如果我们想重视并有效解决工业生产中粉尘进入大气的扩散， 水流中固体污染物的扩散等问题，必须具备湍流载体中粒子的运动和影响粒 子扩散沉积等因素的知识。特别在和能源相关的许多领域，如煤粉燃烧，液 态燃料喷入燃烧等。我们知道燃料粒子的扩散是影响燃烧器稳燃的主要因素， 燃煤锅炉电站依赖于燃烧器喷嘴粒子适当的扩散，这样才能产生一股混合很 好的气固两相流，在此前提下才有可能高效充分地燃烧。要取得这样理想的 流动过程，很大程度上有赖于对湍流结构及其结构中的粒子之间相互作用的 很好的理解。 由于缺乏有效的测量技术，对于两相流湍流特征量的测量有一段时间进 展缓慢。近年来，一些研究人员使用激光多普勒测速仪( l d v ) ，已得到了关 于两相速度的直接数据( l e e d u r s t19 8 2 ；h is h i d ae ta 1 198 4 ；m o d ar ess e ta 1 198 4 ：s h u e ne ta 1 1 9 85 ；p a r t h as a r e t h y f a e t h198 7 ) 。这些研 究工作已成功地得到了平均速度、湍流特性、粒子浓度的信息。对于后台阶 流动( m a e d ae ta 1 1982 ) ，墙壁射流( h i s h l d ae ta 1 19 8 6 ) ，自由射流 ( f l e c k h a u se ta 1 198 7 ) 等模型，已发表了一系列关于两相流扩散的文章。 结果表明了由于粒子的出现气相湍流发生了变化。 如上所述，在许多重要的工业过程中都需要对包含粒子或小液滴的湍流 进行分析由于其中的扩散相和连续相之间的非常复杂的反应，这种两相流 动中仍有一些问题未被揭示因此，对它的研究，无论是对实际两相流系统 中的传热传质过程的分析或湍流机理的研究都具有重要意义。 s 1 2 混合层 上下两股速度分别为u 。和u ：的流体被一薄的平板分隔，在平板的后缘处 汇合，汇合后的流动称之为自由剪切层流场，由于速度梯度和粘性扩散的作 用，在平板后缘的下游两股流体之间将发生混合因此，这种流场也称为混 合层。图1 1 是混合层流场的示意图 混合层作为粘性流动的一种基本类型，很早就有研究对该流动的研究 具有理论和实际应用两方面的意义。混合层流动具有其他同一类型流动，如 射流和尾流的基本特性，通过研究混合层流场的发展和演变过程，能增加对 l 浙江大学硕士学位论文 自由剪切湍流的流态和结构的了解，完善对自由剪切湍流的认识。 图1 1 混合层流场示意图 湍流现象十分复杂，湍流场通常是一个非定常非线性的动力学系统，流 场中充满了不同尺度的涡结构。为了增加对湍流现象的基本认识，应该在相 对“简单”的流动模型中进行研究，以便尽可能清楚和简单地给出一般性的 认识和对湍流现象作出解释混合层流动具有守恒性、固定的边界条件、集 中的含涡区域和单调的速度剖面这些优点，这使得混合层成为研究各种湍流 现象的最理想的流动模型。在湍流的各种研究中，采用混合层流动作为模型 的很多，如在湍流稳定性研究、混合输运的研究、非各向同性的研究，以及 在最新的拟序结构拟序结构的动力学特性和对它们的控制的研究中等等。 混合层流动的存在十分普遍，在已经研究的混合层问题中，其雷诺数变 化范围为1 0 - 20 - - 10 ”o 不同的流动条件导致不同的流动特性，它们构成了丰 富多彩的图案。只要两股速度不同的平行流动发生；f - 合，就会形成混合层流 动，就广义而言，混合层是发生剪切的空间发展的湍流区域。 从实际应用的角度来看，许多自然现象和人工装置中的流动可以抽象为 这种流动模型，如燃烧器、气体激光器的流场等，通过研究，可以帮助人们 找到控制剪切层发展的合适方法，从而提高特定的工艺过程的效率、降低设 备的噪音等等。 自由剪切层流动包含的多种流动形式中，最简单的形式是经典的平面自 由混合层。在过去的70 年中，这种流动被许多研究者用各种不同的方法研究 过，现在这种流动的统计特性和整体性质已得到较为彻底的认识，并得到了 不少有价值的结果首先，对于这个流动的研究，成了后来对大涡拟序结构 2 浙江大学硕士学位论文 深入研究的契机；此外，通过数值计算和实验研究得到的大量有关该流动的 数据和图象，展示了大涡的形成发展和演变过程，说明了剪切层流动是大尺 度的拟序结构和中小尺度作随机运动的涡两者的有机结合；给出了外部条件 对剪切层扩散范围的影响以及拟序结构与流场混合程度之间的关系；揭示了 上下两股流体的密度差、速度差对拟序结构的影响。 自由剪切层中的涡的演化过程主要是涡的卷起= 年口形成、涡的配对和合并、 流向涡的产生及复杂的展向结构的出现。发生这些复杂演化的根源是混合层 自身的不稳定性，而流动失稳更是自由剪切层中涡系自发演化的根本原因。 自由剪切层的演化流动图象大体可以分为三个发展阶段，它们对应下面三个 不同涡系的演化特征：( 1 ) 开尔丈一亥姆霍兹不稳定区；自由剪切层流场在 这一阶段主要是展向涡的卷起过程。( 2 ) 涡的非线性失稳区；在这一阶段发 生了涡的配对和合并，还存在着由于三维扰动的放大而形成的流向涡和复杂 的展向涡结构。( 3 ) 湍流区；在这一阶段虽然还存在大尺度的拟序结构，但 它们被随机湍流所掩盖，发现和控制非常困难。 目前研究湍流自由剪切层一般可通过两种途径：即经典的统计理论和拟 序结构方法。在经典的流体力学理论中，湍流被看作一个随机过程，能用统 计理论充分地描述。用统计的方法，将流场分解为平均和脉动两部分来求解。 拟序结构方法是将拟序结构作为湍流剪切层的主体，通过研究这些结构的生 成演变发展和消失来了解流场。有人认为湍流剪切层的流动特性主要由流场 中的拟序结构决定，这些结构的相互作用是湍流混合层发展的基本机理。 尽管取得了很多成果，然而，在混合层和以混合层为基本流动模型的湍 流的各种研究中，还有许多问题值得进一步的研究。 1 3 混合层中的粒子扩散 湍流场中的粒子扩散受粒子的粒径、惯性、自由落体速度和相对密度的 影响。较早时候，没有数据指出这些参数的相互关系对粒子扩散过程的影响 及用哪种参数描述粒子的运动。早期实验研究局限于很小粒子( s n y d e r l u m l e y 197 1 ) 和很大粒子( h o w a r de ta 1 1973 ) ，对中间粒径的粒子扩散问 题少有研究。所谓的中间粒径粒子是指其直径大于k o i m o g o r o v 流体微尺度而 小于积分尺度粒子的松弛时间f 。作为粒子惯性大小的量度。到底用流体时 间微尺度还是拉格朗日积分尺度作为粒子惯性的参数，还没有明确。s n y d e r 和l u m l e y ( 1 97 1 ) 倾向于前者，而m e e k 和j o a e s ( 1 973 ) 认为应该是后者。随 着粒子惯性的增大，它对流体脉动的响应将会变慢。如果粒子的松弛时间小 于所有的流动时间尺度，粒子将能够对整个的流场频谱作出响应。流体粒子 浙江大学硕士学位论文 界面之间的阻力增加了粒子速度与其以前的运动相互关联的时间间隔。于是， 对于大小和松弛时间与各自的湍流微尺度相比都较小的粒子，惯性增大的效 果是增加了粒子的积分时间尺度和减小了它的脉动速度的均方根值，这已经 被许多研究人员所证实( s o o 1 956 ；c h a ol96 4 ；m e e k j o n es1973 ，等等) 。 如果一个粒子本身具有可察觉的自由落体速度，它将不能保持在涡中，而将 从一个涡移动到另一个。 一些作者指出了在各向同性湍流场中一个粒子能够表现出各向同性行 为。然而，所有的工作都局限于遵循斯托克斯阻力的小粒子。大部分的实验 工作仅仅集中在粒子扩散的测量上。 s h a r p 和0 n e i1 ( 1 97 1 ) 发现了大粒子扩散快于流体现象。 k e n n e d y ( 1 965 ) 进行了垂直风洞中网格生成湍流中间大小粒子扩散的实 验研究。分别计算了湍流度和涡扩散，但精度很差 j o n es ( 19 66 ) 和s h ir a z i ( 19 67 ) 使用光感应技术研究了充分发展管道 流的核心段大粒子在水中的扩散。他们的数据表明高浓度粒子具有高于流体 相的r m s ( 脉动速度的均方根) 值，但他们的数据受到了噪音的影响。 最复杂的实验研究是在1 97 1 年由s n y d e r 和l u m l e y 所作。使用了摄影技 术，采用与k e n n e d y ( 1 96 5 ) 完全相同的实验设备。他们获得了小重粒子的 粒子互相关函数的直接结果。s n y d e r ( 1 970 ) 已给出了具体的实验技术和完 整的误差分析。 m e e k 和j o n es ( 1 9 73 ) 重新检验了s n y d e r 和l u m l e y 的数据，证明了他 们的结论是正确的，即粒子惯性乖交叉轨迹对于决定湍流中的粒子参数非常 重要。 r i c h a r dv c a l a b r e s e 和s t a n l e ym i d d l e m a n ( 19 7 9 ) 研究了充分发展 垂直管道水流核心段的中间粒径粒子的径向扩散，结果表明了粒子惯性的影 响是微不足道的，而交叉轨迹的影响控制着扩散过程 八十年代以后，对湍流中粒子扩散问题的研究开始各有侧重。 l e e 和d u rs t ( 1 98 1 ) 对湍流管道中粒子壁面沉积问题进行了他们的实验 研究。 固体粒子或液滴在壁面沉积问题是很多领域都能遇到的一个基本而且重 要的1 3 题。尽管已有大量的文献，但是从仔细计划好的实验中得到的可靠结 果还比较少，并且仅是提供了关于墙壁沉积的数据而没有对这个问题机理的 回答作出贡献。l e e 和d u rs t 应用l d a 技术对垂直管道中加入统一大小的粒 子而产生的两相悬浮湍流进行了实验研究。两相平均速度的测量结果显示了 粒子具有不同于对两相悬浮流进行常规理论分析所预测那样的特性行为，这 4 浙江大学硕士学位论文 些粒子的运动能够被现有的关于粒子在线性剪切流中偏转的理论定性地解 释。其中的一个原因可能是现在这种情形，尽管围绕一个粒子的流动是湍流， 但如果该粒子对它周围流场的湍流脉动的动态响应已经不敏感时，它实际上 可能被作为“象层流那样”处理。这些都强烈地告诉我们应有一个新的理论 来解释这个问题。这个理论要基于如下的概念：粒子的动态响应特性和周围 涡的运动的关系。尽管实验中所用为一种粒径的粒子，但可以推广到多粒径 的情况。 n o u r i ，j m w h i t e l a w ，j h y i a n n e s k is ，m ( 1987 ) 使用l d a 测量了垂 直管道湍流中粒子速度，并将同样的测量方法应用于管道中加轴对称阻流板 的情况，实验中改变悬浮粒子的体积浓度，侧重了粒子浓度对粒子运动的影 响。管道流中粒子体积浓度最高达1 4 ，加阻流板时浓度最高可达8 。结果 表明随着粒子浓度的增加，粒子平均速度减小并且速度曲线变得更加规则统 一；粒子和单相流体速度差随着雷诺数的增加而减小；粒子脉动速度随着浓 度的增加而减小。但要注意的是，高粒子浓度时，为了保证测量时激光光束 不受阻，粒子的折射率必须和流体的近乎相同。 以前的实验研究局限于悬浮粒子的浓度低于1 ( e g l e e d u r s t198 2 ) ， 少许例外能达到5 左右( e g z i ss e i m a r m o l e l us19 78 ) 。体积浓度低于 0 3 ( l u m i e y19 7 8 ) 时，对于球形粒子认为此时粒子间的相互作用可被忽略。 h is h i d a ，k a n d o ，a 和m a e d a ，m ( 1 9 9 1 ) 对平板混合层中的粒子扩散进 行了实验研究，以探讨湍流中控制粒子运动的主要因素。 前面已经提到，湍流中粒子扩散的问题，关于用哪一个时间尺度作为适 当的粒子惯性参数还没有取得一致。s n y d e r l u m l e y ( 1 97 1 ) ，c a l a b r es e m i d d l e n l a n ( 19 7 9 ) ，w e i ls s t o c k ( 1 9 83 ) 研究了在稳定各向同性网格湍流 和充分发展管道流中间区域湍流中的粒子扩散，在这些研究中，既用了微尺 度又用了积分尺度。 单相平板混合层流动，是最简单的自由剪切层之一，许多学者已对它进 行了深入的研究，如b r o w n r o s h k o1 9 7 4 ；w i n a n t b r o w a n d197 4 ：h u ssa i n z a m a n198 5 等人。其中关于大尺度涡结构发展的一些特点已被公认为了 获得二维混合层中粒子速度和粒子扩散的实验数据，h is h l d a 等人做了细致 的实验研究，提供了粒子、气相的速度和粒子数密度的详细测量结果在实 验中，三种粒径的玻璃粒子被加入到二维混合层流场，应用p d a 测量两相的 速度，同时也得到粒子数密度的数据，由此分析得出了如下一些结论： 粒子能够扩散得快于连续相；与之对应，发现大粒子的扩散就象各向同 性湍流，这是由于它们大的惯性导致了这些粒子几乎不能跟随流体运动：粒 塑坚查堂堡圭堂堡堡塞 子扩散特性行为与斯托克斯数( s t ) 有关；湍流中粒子扩散强烈地依赖于粒 子跟随大涡运动的能力；目前研究所涉及到的s t 范围，包含了粒子扩散现象 的三个不同阶段：1 s t 4 粒子运动独立于连续相的湍流运动，流体涡运动 几乎不影响粒子扩散；2 2 5 s t 4 随着s t 的减小，烃子扩散迅速加快；3 0 5 s t 2 5 粒子扩散系数变得大于气相涡的扩散，即粒子扩散更快于流体 相。 湍流中粒子扩散问题，在数值计算方面也做了相当大的努力，其方法被 分为两大类，即欧拉方法和拉格朗日方法在欧拉方法中，扩散相被作为连 续介质处理，一些作者已有文章发表( d a n o ne t a 1 1977 ；m e lv le b r a y 19 79 ：e l g o b as h ie ta 1 i 9 8 4 ：c h e n w o o d19 8 6 ；p l c a r te ta 1 198 6 ：l e e c h u n g19 87 ) 。拉格朗日方法通过直接求解粒子运动方程来预测连续相中粒 子的运动( s h u e ne t a 1 1 9 8 5 ；p a r t h as a l a t h y f a e t h 1987 ；m i l o j e v i c d u rs t1 9 8 9 ：b e “e m o l l te ta 1 19 9 0 ) 。尽管取得了一些成果，但是当考虑 到表示湍流粒子运动各个物理方面的模式时，困难依然存在。 c h e i n c h u n g ( 1 9 87 ，198 8 ) 和t a n ge ta 1 ( 19 8 9 ) 发表了混合层中粒子 扩散的数值计算结果在湍流中通过考虑大尺度涡来模拟流体行为，因为剪 切层中大涡结构携带了大部分的动量，因而如果我们假定大涡在控制粒子扩 散方面起作用，这是可以理解的，随之我们相信，“配对”过程对于理解湍流 剪切层中粒子扩散机理扮演着重要角色( 这个假设由y u le 所作的液滴在空气 中扩散这个实验得到了进一步的支持) 。他们指出：配对过程中的涡卷吸、扩 散粒子的能力远远高于配对前后的流场( 这和已公开的结果相一致) ；并且证 实了在一定的s t 范围内粒子能够混合得快于流体。然而，关于大尺度涡对粒 子扩散的影响效果的研究目前的实验数据比较少而且，有关当地粒子速度 的详细资料，如平均速度、脉动速度和它们的关联量，对于评价数值计算是 强须的。 终上可见：进行实验研究获得可靠数据以提高我们对这个问题本质的理 解就显得迫切而且必要。 1 4 两相流中的实验方法 多相流实验方法在过去十几年里有了显著进展，激光测试技术的兴起， 最主要的是相位多普勒测速技术( p d a ) ，使得在现实设备流场中测量湍流参 数、粒子的大小和速度成为可能。 在获得可能更为详细精确的实验资料的过程中，激光诊断技术的进步起 了至关重要的作用。第一个重要发明是19 6 4 年由y e h c u m m i n s 发明的激光 6 浙江大学硕士学位论文 多普勒测速仪( l d v ) ，即使在它的初期，这种仪器也能够获得关于流体中粒 子运动的非常准确的测量结果。由流体力学专业人员发明的这种装置推动了 l d v 在更广范围中的应用与发展，并且逐渐地，这种仪器被应用于更困难的 环境，包括高速流。连续相流动的速度测量依赖于流动中加入的小粒子，它 能够示踪流场。这种能够同时测得粒径和粒子速度的方法，对我们研究更广 泛更通用的湍流两相流流动状况作出了重要贡献。标准l d v 被应用于多相流 测量时所遇到的主要问题是，它无法准确地区分流场中代表连续相的示踪粒 子和作为扩散相的大粒子将l d v 这种仪器扩展到应用于多相流实验时，即 允许测量有扩散相存在时的连续相的湍流参数，其中第一个主要问题就是要 解决流场中粒子大小的测量，在获得这些信息方面相多普勒方法是非常关键 的。b a c h a l o 等人为此作出了极大贡献。相多普勒方法能够准确测量粒子大 小分布和速度，另外，粒子数密度( 不能太高) 和管道流量也能被确定。相 多普勒方法局限于球形粒子液滴或气泡的测量，对于非球形粒子的测量，问 题也已有了解决，采用了一种基于近前向光散射探测的新方法。这种方法的 有效性已被j o n es ( 19 8 8 ) ，g e b h a r t a ns e l m 【19 8 8 ) ，k i l l i n g e r z e r r u l l ( 198 7 ) 和其他人证实。 对于流动现象的定性理解，流动显示是一个非常宝贵的手段。在多相流 实验中，流动显示方法也一样很重要。除了通常所说的烟丝法、染色法、氢 泡法外，h a n c o c ke ta 1 ( 19 9 2 ) 介绍了一种新颖的方法，即现在所说的示踪 粒子法，用于观察有粒子扩散出现时的流动行为。 现在越来越多的研究人员感兴趣于粒子成像方法。粒子成像方法用于收 集流场中某一有限区域内的瞬时粒子大小形状浓度和空间分布信息，能够获 得更为详细的流动显示和大量的数据其中，正被接受且渐被重视的一种技 术就是粒子成像测速仪( p i v ) 方法。它使用脉冲激光作片光源，粒子在流场 中某区域移动时，瞬时时间间隔内被成像，使用自相关或互相关算法求解速 度矢量。p i v 方法提供了测量区域内的速度矢量场的瞬时记录，能够对流动 状况进行定量并口定性的评价不幸的是，目前这种方法还不能同时测量粒子 大小和速度。p i v 方法中有许多技术用于分析图象，对于低浓度粒子流动， 典型的是采用粒子追踪技术；随着粒子浓度的加大，这时可用基于数理统计 平均的杨氏条纹法判读图象；而随着当今计算机运算速度的加快和有效算法 的发展，许多科研人员已开始对数据化图象进行直接数据处理，这比杨氏条 纹过程更简单更可靠( a d r i a n y a o1 9 8 4 ；a d r i a n 19 8 8 ) 。在确定速度矢量 方向时，和l d v 相似，l d v 中附加频移解决了这个问题，而在p i v 中，可使 用图象漂移技术。 7 浙江大学硕士学位论文 有些作者，如o h e r n g o r e ，研究了其它的非光学多相流测试技术。 迄今为止，对两相湍流测量中一些具有代表性的例子，如粒子阻力系数 的测量、粒子湍流扩散、轴对称射流、粒子和大尺度湍流涡之间的反应等等， 应用上述这些测试技术已做了大量的实验研究工作都取得了明显成果。我们 有理由相信，随着光诊断学的发展，多相流领域的研究必将取得显著的进步。 1 5 本论文的主要内容 对二维混合层流场中的粒子扩散问题进行实验研究。首先，要建立合适 的混合层流场实验装置，实验中用激光多普勒测速仪( l d v ) 和粒子成像测速 仪( p i v ) 分别进行流场测量，获得柱子速度和粒子扩散的实验数据。通过定 量分析加入粒子前后流场有关特征量的变化，如t l v 、u r m s 、v r m s 等，采 阐明混合层流场中控制粒子运动的主要因素。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章实验装置和实验设备 2 1 引言 随着计算机技术的迅猛发展，数值计算模拟方法日益吸引着越来越多的 研究人员。但不可否认的是，通过实验从事流体力学各方向的研究仍是最可 靠最直接的方法。在流体力学的发展史中，有许多重要的现象都是首先从实 验开始发现的，而后引起学者的浓厚兴趣去探索究竟，从而推动了力学的发 展与进步。每一个问题的解决与否，除了理论求解之外，最终还要由实践来 检验，毕竞人们认识自然的最终目的是为了更好地改造自然，为人类造福。 同样，人们对湍流混合层及两相流进行研究，也是为了对流动进行控制，以 满足人们生活的需要和各种工程目的。现实生活中的自然现象复杂多变，湍 流、两相流也是如此，实验研究不可能一蹴而就，一定会有一个由简到繁的 过程。也就是说，要对实际现象进行一些有针对性的简化而抽象为具有代表 性的模型，在这些模型中进行实验研究，由此去伪存真，才能抓住物理现象 的本质而不迷失方向。对于粒子扩散这个两相流问题，本文在平面混合层这 个相对简单但有代表性的模型中进行实验研究，来探讨湍流中粒子的运动及 其影响因素。本章先描述为此而建立的实验装置，然后介绍了为达此目的而 采用的“手段”一一实验测试方法和测试设备。 2 2 实验装置 图2 1 所示为本文所设计研制的混合层流场的实验装置。实验是在一循 环水槽系统中进行的，整个装置由三个部分组成：输送段、实验段、回收段。 实验段是这套装置的核心部分。如图所示，上下两层流体被头部为楔形的薄 隔板隔开，每层流体的流速均由输入端的调节阀及输送段的分流阀控制，两 层流体流经5 0 c m 长的整流段和3 6 c m 长、收缩比为9 ：1 的收缩段后，在隔板 尾缘汇合形成混合层流场，测试段的尺寸为1 2 c m 8 c m 150 c m 。整个实验段 均用有机玻璃制成，以便于观察流场、监视粒子加入，l d a 和f i v 测量。 在本实验中，采用了螺杆泵作循环水泵。为满足l d a 测量的要求，系统 中的循环水是经过过滤后的水。为了做到最初始的工况相一致，即起、停泵 后重复实验是在同一大前提下，使用了一个高位水箱( 如图所示) ，利用恒定 的压差保证来流的稳定一致- 5 外，为了确保整个流场的稳定性，实验段与 输送段、回收段之间的连接采用了弹簧软管，并且，整个实验段的支撑点及 螺杆泵的底座都垫上了2 c m 厚的橡皮，以减少外部扰动对流场的影响。 9 塑坚盔堂堡主兰堡堡苎 一 了 。a i 舢二j 1 0 粤 * i i l 旨 鲤 鬟o 董之 旧赢强幕 一f 固龋岭删蜊管袜 _ n 圈 删删体 塑垩盔堂堡主堂垡鲨塞 图2 2 流场示意图 由于本文所做实验是在水平混合层流场中进行的，因而实验中遇到的第 一个难题就是粒子如何加入到流场中去；其次要注意解决的是，因为我们所 使用的激光多普勒测速仪是标准的l d v ，它无法区分流场中的示踪粒子和扩 散粒子，每一次实验结束，开始新一轮的实验前，都要干净彻底地清理水箱， 重新加入循环水，以最大程度降低对所得实验数据的污染。 实验流场简单示于图2 2 中以位于中间的薄隔板的尾端作为坐标原点， 流动方向为x 坐标方向，垂直隔板方向为z 坐标方向。实验中通过一根很细 的不锈钢管加入固粒，粒子在混合层开始处进入流场。 2 3 实验设备 2 3 1 l d a 系统 l d a 是基于光学多普勒效应( 或干涉条纹效应) 及激光自身的诸多特点 ( 如优良的相干性、方向性、高亮度等) 而开发的一种先进的测速仪器。 一简介 本实验使用的是一套d a n t e cl d a - 10 型二维激光多普勒测速系统( 2 d l d a ) ， 系统布置如图2 3 所示。该系统包括一台a r + 激光器、三光束二维频移入射光 单元、偏振分离二维接收光单元以及两台记数式信号处理器和p c 一5 86 数据采 集处理系统整个光学系统安装在一台三维自动坐标架上，以便于测量流场。 a r + 激光器产生的三束混合光、蓝光和绿光成等边直角三角形布置，经聚焦透 镜将光束打入测试流场。 二基本原理 当激光光源与观察者处于相对运动状态时，观察者所接收到的光源发射 光的频率将是变化的，频率的变化量与相对速度的大小和方向有关，与激光 的波长有关。当光源与观察者的相对运动使两者距离减小时，频率增高，反 1 1 塑坚盔堂堡主堂竺丝苎 之频率减小。当固定的观察者( 或接收器) 接收从运动的物体散射光时，也 可以观察到类似现象。这种现象在物理上叫光学多普勒效应。图2 4 、2 5 可以说明这一现象。 s 图2 3 二维激光多普勒系统布置 图2 4 由于光源运动造 成的多普勒效应 s p d 图2 5 由于观察者运动造 成的多普勒效应 塑坚奎堂堡主堂焦堡塞一 图2 4 中，5 是运动光源的光波在静止的观察者方向上的单位矢量。i 是 运动着光源s 的速度矢量。很明显，图中一个静止的观察者p d 将会记录到来 自光源的不同波长。被一个静止的观察者记录到的来自运动光源的波长为 丑，：旦! 兰 ( 2 1 ) f f 是光源的频率，c 是光的传播速度c = f 兄。 令f 为被一个静止的观察器记录到的来自运动光源的频率。则由兄= 云， 并在推导中限制光源运动速度大大小于光的传播速度c 。则可得对应的频率 为 f ，。“1 + 坐) ( 2 2 ) c 当光源静止，观察者运动时，也能观察到频率的变化。见图2 5 。这是 由于观察者p d 本身的运动。e 的取向仍为由光源指向观察者，可得对应的频 率为： f ”：( 1 一坐) ( 2 - 3 ) c 现在将运动的观察者和运动光源结合在一起，可以把随流体一起运动的 微粒看成一个运动的光波的传播者，它从一个静止光源接收光波然后又重新 发射给一个静止观察者( 光电检测器) ，传播波的频率等于接收波的频率，如 几何图形2 6 所示，根据多普勒效应，由公式2 2 、2 3 ，则 v 图2 6 多普勒频移的几何图形 f p = f i ( 1 一半) ( 2 - 4 ) f s = f p ( 1 + 半) ( 2 - 5 ) i 是入射光传播方向上的单位矢量，它的取向是从固定光源s 指向运动粒子 p 。 1 3 塑坚盔堂堡主堂垡丝塞 i 是散射光在p o 传播方向上的单位矢量。它的取向是从运动粒子p 指向静止 观察者0 。 t 是运动粒子p 的速度矢量。 f 是静止的光源发出的光的频率。 f 是运动粒子p 接收到的光的频率。 f 是静止的光电检测器接收到从运动粒子p 发出的散射光的频率。 将( 2 - 5 ) 式中的f p 用( 2 - 4 ) 式代入，并考虑到v c ，项可略去，则求出 f s 与f ，的关系如下： t ：“1 一竖型 ( 2 - 6 ) 由公式( 2 - 6 ) ，求t 与f i 之差，称( t f i ) 为多普勒频差，用f d 表示。 f a ：f 。一：f i 塑王翌：哥( i 。一i ) ( 2 - 7 ) c l 在双散射光路中，两束频率相同的激光( 也可以频率不同，但频率不能 相差太大) ，从不同方向e ”e 2 聚焦于同一粒子p 上，运动粒子p 接收到的 这两束光的频率f f p ：也不同，静止的观察者p m 分别接收从f p 、f p ：的散射 光频率( 设为f s 。、f s ：) 也就不同。由图2 7 ( a ) 和公式( 2 - 6 ) 可得如下关系 式： o l 0 2 o o ( a ) ( b ) 图2 7 双散射光路 图中：0 ，o ：一静止光源p 一运动粒子p d 一静止观察者 1 4 浙江大学硕士学位论文 和f , 1 - 煎掣 c ：f i 1 型生型】 ( 2 - 9 ) 式中，是散射光在或传播方向上的单位矢量，它的取向是从粒子p 指向p m 。 求得频差： f ：里鱼二弛( 2 - l0)d 一 、 ， 几l 推导表明，f d 与e ：无关，所以可用接收透镜接收各个方向的散射光。 参看图2 7 ( b ) ，因为5 。2 一e ，l = 2 s i n ( t 2 ) ，目是两束入射光的夹角。可以把 式( 2 10 ) 向量形式改写成标量形式： l = z u s i 或 u = 2 s i n 生( t 一2 ) f d 丑为入射光波长，单位c m ； 为多普勒频差信号，单位k h z ； o 为两束光的聚焦角； u 为在两束相交光的平面内速度矢量沿垂直于两束入射光夹角的等分线 方向上的分量，单位c m s ； 式( 2 - 12 ) 就是一维无频移多普勒测速的关系式。 三测试方法 a 流场所测剖面示意图如2 8 所示。测量面是x z 平面，以两层流体隔 板尾缘作为原点，测点布置如下：x 方向测量位置1o m m 、3o m m 、6o m m 、10o m m 四个剖面：每一个剖面z 方向测点从一3 0 m m 到+ 3o m m ，间隔2 m m ，共3 1 个测点。 b 测点的采样频率为50 h z ，每个测点的样本数为10 00 ，即每个测点采样 时间2 0s ，这样可以认为将周期性变化抹平。 c a r + 激光器三束光成等边直角三角形布置。三束光经聚焦后射入测试流 场，焦点即为测点。在每一剖面，测点沿z 轴方向移动时，由蓝光和混合光 测得垂直方向速度分量，由绿光和混合光测得水平方向速度分量。 n 卜 卜 浙江大学硕士学位论文 图2 8 测试吾1 面示意图 二t 一 一。i 睦兰， 四系统误差分析 在本实验中，误差主要来源于流场的稳定性和多点非同时测量，光路系 统的匹配和流场中示踪粒子的散射光噪声，所加入固体粒子的稳定性( 包括 初速度、粒子浓度、出口位置) ，a d 采样误差，测量点位置误差，记数信号 处理器的比较精度数据率，数据处理误差。 要保持流场稳定，首先要保证电压的绝对稳定，然而这一般是不可能达 到的，本实验进行时，起用稳压电源同时通过电压表进行监控。对于由多点 非同时测量引起的误差，实验中通过延长采样时间，将其抹平。 实验表明，当光路系统调整匹配较好时，信噪比就高，此时的数据率和 数据合格率也高，获得的数据就可靠。 调整好粒子出口位置，使其固定不变；每次加入定量的固体粒子；保持 在同一高度加入粒子。这样，由固粒引起的误差可以降至尽可能小。 本实验使用的a d 板为12 b i t ，即“刻度”可达4 096 ，精度可达1 40 96 。 1 6 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 p i v 系统 pr v 是近年来发展起来的一种测速技术，它有着其他测速技术所不可比 拟的优点。随着计算机、光学、信息图象处理等相关领域的发展，p i v 技术 也正日趋完善。目前，p i v 正被国内外从事流动研究的高等院校和科研部门 所采用。 p i v 技术的产生具有深刻的科学技术发展历史背景。首先是瞬态流场测 试的需要，比如燃烧火焰场，火箭发射尾部流场等。这些瞬态流场靠单点测 量仪器是不可能完成测量任务的，虽然流动显示技术对于提供流动图案非常 有效，可惜在定量上遇到了很大的困难；其次是了解流动空间结构的需要。 特别是当前对于相干湍流结构的研究，给发展p i v 技术提供了强大的推动力； 第三是某些稳定流场的测试需要。例如一些流动稳定的狭窄流场。 p i v 技术兼具单点测量仪器的精度和流动显示定性描述流动的能力，它 的出现无疑是流动测量技术上的历史性进步，将使流动测量技术提高到一个 崭新的阶段，流动研究本身也将因此而产生突破性的进展。 一基本原理 其基本原理是在已知的时间间隔内，测量示踪粒子的位移，从而确定出 该点的速度大小和方向 乖：l i m 旦二5 ：l i m 坐( 2 一l3 ) 2 + l t2 一t la t e 0 a t t 是c c d 取像的时间间隔，将c c d 取得的p i v 粒子图象首先通过常规和 特殊图象预处理，再用相关法确定出两个图象中同一粒子像斑的精确定位， 当a t 取得合适时，i 能够分辨又足够小，测出流场与取得的图象间的放大系 数后，便可通过上式计算出粒子的速度。 二简介 本实验使用的是一套d a n t e cp i v - 2 10 0 型二维粒子成像测速仪( 2 d - p i v ) ， 系统布置如图2 9 所示。从总体上看，一个完整的p i v 系统可分为两大部分： 成像系统。它的功能是产生粒子流动的双曝光图象照片。查问系统。它 的功能是提取和显示照片中的速度场。 成像系统由双脉冲激光片光源和照相机构成，片光源用于照明流动中的 粒子。激光源通常用n d ：y a g 这种激光能产生较高能量的激光脉冲对，其单 脉冲能量高达10 m 5 以上，单脉冲宽度可在2 0 p s 以下，脉冲之间的时间宽度 可达2 0 p s 到4 0 , u s 以上。此种激光有合适的机械性能，导热率高，激光效率 高达百分之几，是一种中等功率激光器，广泛用于测距、制导、加工等方面。 最近也有人使用红宝石激光器，此种激光能级阁值高，且室温时导热事低， 1 7 堂坚盔堂夔主兰垡堡苎 膨 镬“ 图2 9p i v 系统 输出功率很大，单脉冲功率高迭2 j ，单脉冲宽度可达3 o ns ，脉冲之间的时间 间隔为1 脚一1s 。 片光源由脉冲激光束通过圆柱形透镜形成。照相机垂直于片光源，用于 拍摄流动照片。 查问系统由复杂的光学部分和计算机部分构成。光学部分包括激光器、 光束扩展器、空间滤波器、反射镜、横移机构、透镜和照相机；计算机部分 包括祯接收器、视频母线、阵列处理器、计算机软件和图象监视器( 计算机 监视器) 。 三示踪粒子 示踪粒子的选择始终是p i v 技术中的关键，其规则，l 4 _ 、跟随性和光学性 能直接影响测试精度。 1 粒子的跟随性 粒子作为测量流场的标记物，应对于流体具有良好的跟随性。粒子的跟 随性可以根据以下公式加以计算： ，7 ：生玉( ) ( 2 14 ) u f 式中u ，是流体速度，u 。是粒子速度。 根据我们实验过程中对于粒子跟随性的要求，一般在空气中选取粒子的 浙江大学硕士学位论文 直径为0 1 肿一2 , u r n ，在水中为1 , u r n 一10 a n ，都能达到良好的实验要求。 2 粒子的光散射特性 对于光散射来说，粒子的折射率与流体的折射率之比是一个重要的参量。 因为水的是空气的1 33 倍，所以空气中粒子的有效散射至少比水中粒子的有 效散射大10 倍。因此，在水中或其它流体中进行实验就需要较大的粒子。或 者说需要较大的照度。对于空气和水中的小粒子( 1 脚一20 _ , r n ) ，用m ie 散 射计算出用照相机镜头收集侧向散射光的能量( a d r i a n y a o19 8 5 ) 。对于 各种各样的粒子尺寸、焦距、光片几何形状、光源脉冲能量以及胶片或探测 器敏感度，都可以利用m ie 散射计算结果来估算一个粒子像的强度。 从散射特性的要求出发，空气中可选用较小的粒子，水中应选用较大的 粒子。但粒子的选取还必须与跟随特性要求一致。 四成像采样技术 激光束发出第一次脉冲，此时片光源内的粒子被照亮，同时c c d 照相机 记录下各粒子的位置：过了若干时间后，激光发出第二次脉冲，片光源再次 照亮了粒子，c c d 照相机再次记下粒子的新位置。为了解决第一和第二个图 象的方向不定性，可以使用图象漂移技术。其中一种是在照相机前面使用旋 转镜。照片中的静止目标由图象漂移距离所替换，一个移动着的粒子图象的 位移，其值等于流动引起的位移加上图象漂移的位移