（工程热物理专业论文）气固两相方柱绕流流动特性的piv实验研究.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! 浙江大学硬士学位刘小云摘要 摘要 在近个世纪的柱体绕流研究中，主要研究了其物理特征和转逆特性，对 气固两相方柱绕流拟序结构的实验研究非常之少。在国家自然科学基金的资助 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方柱绕流拟序结构 进行了相关的研究。研究了不同大小颗粒在方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方柱绕流研究 的空白。 本文首先建立了两相方柱绕流拟序结构的实验系统，完成了对两相单个方柱 几多个方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 2 1 0 u m 、6 0 + 1 0 u m 、i 0 0 + i 0 h m ，相同质量浓度、雷诺数分别为r e = 1 5 7 6 、r e = 3 6 0 3 ) 的实验，得到了不同工况下的流态图以及相关的数据，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，颗粒扩散趋予相同。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，颗粒在接个区域的分布趋于均匀 本文的另一个研究重点是对多方柱绕流进行了测试，分别对单列方柱、错列 双排方柱在不同工况下进行了测试，其中多柱间距采用工程中常用结构s d = 2 ， 同时，对5 根柱体采用错列的排列方式( 前3 后2 ) 也进行了相应的测试，得到了 大量实时图像。通过对图像的数据处理揭示了多柱绕流的一些变化规律。 关键词：拟序结构；两相圆柱绕流；p i v ；颗粒扩散； 浙 工大学硕士学位刘小云 a b s t r a c t t h es 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 tas q u a r ec 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 tac 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 r 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 e e m p h a t i c a l l y t 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 fas q u a r ec 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 e a 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 es q u a r ec y l i n d e r ，v i s u a l i m a g e sa 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 g c 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 es q u a r ec 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 y i nd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ( d 口= 2 5 1 0 um 、d p = 6 0 1 0 um 、d p = 1 0 0 1 0 “m ：r a t i oo fm a s s f l o wr a t e ；r e = 15 7 6 、r e = 3 6 0 3 ) w eg e tl o t so fv i s u a li m a g e sa n dv a l u a b l e d a t a i ti sr e v e a l e dt h a tt h ef a c t o ro fp a r t i c l ed i a m e t e rp a r m a r i l yd e m o n s t r a t e s i td 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 ds q u a r ec 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 es q u a r ec 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 di nas i d e - b y - s i d e ，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 ns t a g g e r e dw a y ( t h ef i r s tr o wa r r a n g e dt h r e ec y l i n d e r si n as i d e - b y - s i d e ，t h es e c o n dr o w a r r a n g e dt o wc 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 f 2 浙江大学硕士学位刘小云摘要 v 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 ds q u a r ec 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 ； 3 浙江大学硕士学位论文刘小云 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 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，掌握流体( 有时是两相流体) 流过钝体障碍物的流动特性对于许多 工程设计问题非常重要，长期以来一直吸引着众多研究者的兴趣，并且已经成为 流体力学领域的经典课题之一。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，诸如许多飞行器、桥梁、烟囱、冷却塔、以及在 燃烧技术领域中经常遇到抉热器、锅炉、冷凝器等。 从1 7 6 8 年提出，绕物体流动“阻力绝对等于零”的疑题算起，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自然界的一种普遍现象，特别是颗粒在钝体 尾迹中的运动分布更为普遍。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。又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。由此可见研究气固两 相钝体绕流在实践中极为重要 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，由于影响气固两相流动 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 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。 气固两相绕流运动中颗粒相和流体框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 的分析上，缺乏系统的和深入的研究，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。为了骀建立更糟确和完善的描述气固两相绕流湍流运动的数 4 浙江大学硕士学位论文刘小云第一章绪论 学模型，完善实验手段，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，认识和掌握柱体绕流中拟序结构的作用。 近三十多年来，湍流拟序结构的发现是湍流研究的重大突破。它表明湍流不 再是完全无秩序的随机运动，而是一种在切交场中不规则触发的时间序列运动。 它的起始时刻和位置是不确定的，但一经触发，就以某种确定的次序发展特定的 运动形态。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、可分辨的大涡一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、合并乃至破碎过程，而且能周期地重复出 现。研究表明，这些相干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。 人们对湍流进行研究，是为了能对湍流进行有效控制，以满足人们生活的需 要和各种工程目的。湍流在自然界与工程技术中极为普遍地存在，湍流的研究与 国防建设和国民经济中的能源、化工、航空、造船、环境保护等领域密切相关， 掌握湍流的运动规律并对它进行有效的控制和合理的运用，必将对基础研究与实 际的工程应用产生重大的推动作用。 迄今为止，人们对单相湍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。人们对两相湍流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 i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 技术探索 两相方柱绕流湍流拟序结构更多的奥秘。 1 2 湍流拟序结构以及其研究意义 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 的脉动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。 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 互干涉的两个波之阉的协调关系) ，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： 浙江大学硕士学位论文刘小云第一章绪论 2 3 4 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 或它们的组舍。 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。 拟序结构沿下游所保持的距离大于它们的特征尺度。 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。 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。( 范全 林，2 0 0 0 ) 湍流中拟序结构对于湍流生成和发展有主宰作用，因此抑制或消除大涡结构 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 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。这为一直困扰风机、高速飞行器 运行时的气动噪声闯题提供了一个可能的突破方向。 2 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。 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有可能对2 1 世纪的能源利 用、机械磨损、环境污染的控制起到重要的推动作用。 1 3 方柱绕漉研究概况 钝体绕流，由予在工程中具有广泛的应用背景，一直是工程界重要的研究对 象。这种流动包含有涡的脱落、回流及涡街等复杂的流动现象，而且大多数情况 下处于湍流状态，用严格的数学物理方法求解流场实际是不可能的。长期以来， 风洞和水洞试验是研究钝体绕流的主要途径。建设风洞及购置测量设备与流场显 示装置投资巨大；在提供流场信息方面，不仅受到传感器的时空分辨率的限制， 也因基于点测量取得数据而使测量的对空网格密度不可能过密、采样总时段也不 浙江大学硕士学位论文刘小云 第一章结论 能过场，其技术层面并不完善。近年来，计算机技术的高速发展和属于湍流高级 数值模拟范畴的直接数值模拟( d n s ) 与大涡模拟( l e s ) 技术的出现，使利用计算机 数值模拟实验来逐步取代风洞和水洞的物理试验有了可能。 作为典型钝体的柱体以绕圆柱和方柱的流动具有代表性，不仅因为它们在工 程技术中应用最广，而且研究它们也是了解其他各种柱状钝体绕流的基础，为此 大量的数值模拟和实验研究在卡门的研究成果之后一直在继续。但这类研究大部 分集中在无约束圆柱绕流上包括一些涉及到颗粒相在圆柱湍流边界层中的流动 特性。虽然方柱绕流在各种工程应用中也起着非常重要的作用，但是相对于圆柱 绕流方面已发表大量的研究成果和人们比较深入的认识，人们对方柱绕流的研究 还比较初步。这方面的研究以单相气体或液体绕方柱流动的情况为多，包括对较 低r e 数绕流进行的数值模拟，也有利用各种技术对较高r e 数进行的实验研究 ( 多用水流) ，比如f h w a ( 飞行热线技术) ，l d v 技术p i v 技术，还有用p d p a 技术测量气固两相流场的研究。在气液两相流体柱体绕流方面也有了一些数值和 试验的研究 在数值模拟方面。目前世界上还没对绕方柱流完美的模拟结果。它们都只是 在某些量上的模拟结果与实验结果符合较好，而在国内采用时间分裂控制对绕方 柱流进行大涡模拟的研究还没有，更重要的是，在绕方柱的大涡模拟中，壁边界 的处理对最终的模拟结果起到很大的作用，而一般人们对壁边界都是采用无滑移 条件或幂律函数条件，对s m a g o d a g s k y 假设在附件区的发散问题遥常采用的壁 粘滞函数进行处理。 中等或较高雷诺数下气固两相流体柱体的流动工程中经常遇到。比如钝体煤 粉燃烧器、烟气换热器等。但是由于气流绕方柱流场的不规则性，颗粒在流场的 分布很不均匀，使得研究非常困难，目前无论是试验或是数值模拟都少有人进行 过气周两相流体方柱绕流的研究。 大雷诺数的方柱绕流问题由于其中包含了许多复杂的流场现象如流体的分 离、涡脱落、循环等，引起了世界范围内的研究热潮。它被w r o d i 和j f e r z i g e r 作为1 9 9 5 年在德国r o t t a c h - e g e m 举行的研讨会的一个闯透，同时它也被选为第 一届和第二届关于直接数值模拟和大涡模拟的e r c o f t a c 研讨会的考题。 m u r a k a m i 和他的小组进行了一系列包括二维方柱在内的数值研究，他们的研究 7 浙江大学硕士学位论文刘小云 第一章绪论 表明，三维模拟能更好的模拟流场特征，而大涡模拟模型与霄诺n s 方程模型 相比能更好的模拟实际流场。t a m a r a 用动态s g s 模型模拟了绕方柱流，结果表 明，流场的平均值和均方根值可以通过调整网格大小来得到合理的结果。d a i h a l y u 采用l e s ，对r e = 1 0 巧的绕只性方柱流速度场和压力场进行了模拟，模拟结 果与试验结果符合较好。 1 4 方柱绕流运动简述 方柱绕流是一种复杂的流动现象，它由三释现象组合起来的，边界层流动， 分离的自由剪切层流动和尾迹流动。类似于圆柱绕流，方柱尾迹中存在转捩区， 在此区域内尾流速度具有独特的不规则性，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。 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 数太子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。 单方柱气固两相绕漉在流动方向上，可以把绕流后流场大致分为靠近方柱的 基本区和远离方柱的近尾迹两个区，基本区内各方向的速度脉动都非常强，颗粒 脉动比气流脉动强；而近尾迹区内速度脉动较弱，并保持某个稳定值附近，且颗 粒脉动与气流脉动一致。 8 浙江大学硕士学位论文刘小云 第一章绪论 愈i ( c ) 厂一一、一 ( d ) 咆厂 ( e ) q 八八 图1 1 方柱绕流示意图 1 5p l v 测试技术 p l y ( 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 i v 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、成像和图像处理等部分组成，如图1 7 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。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铡流场。如是脉冲激光器，需设置脉 9 浙江大学硕士学位论文 刘小云 第一章绪论 冲间隔，脉冲延迟期和激光脉冲等，高速c c d 或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 一2p i v 系统的组成 p i v 基本工作原理：在流场中布撒大量示踪粒子跟随流场运动( 空气中使用固 体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) ，把激光束经过 组合透镜扩柬成片光照明流场，使用数字相机拍摄流场照片，得到的前后两帧粒 子图像，对图像中的粒子图像进行相关计算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 一般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 et r a c k i n gv e l o c i m e t r y ) 方法，另按照流动速度计算原理不同，每 类算法又有多种各具特点的算法。 适于低粒子浓度的算法有四时问步追踪法、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 ：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。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，适合子各种流动的圈像处理。二值化互相关法t e 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。为了弥补这个不 足，就提出了速度梯度张量法( i s h i k a w a ，1 9 9 7 ) 。 l o 浙江大学硕士学位论文刘小云第一章绪论 适于高粒子浓度的算法有自相关法，灰度分布互相关法，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。辉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 mq u a d r a t i c d i f f e r e n c e ) ，优点是计算时间显著缩短。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( 石惠娴，2 0 0 3 ) 。 由于本文所用地p i v 采用的是互相关算法，下面就着重介绍互相关分析原 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。 当两个实函数，( 功和g ( 曲的积分f * * f ( x ) g ( x ) y i f ：f f - 时，就称函数，( x ) 和 g ( 砷相关。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 詹； 警丝兰 ( 1 1 ) l 庸= 尸= = ；= = = 窖= = = = = = ll ) 1 i i ，( x ) | 赤k ( 砷1 2 凼 对于g ( ，设原点移动变量为s ，则得到关于s 的函数 c z g g ) = f 。f ( x ) g ( x - 。) 出 ( 1 2 ) c 唐0 ) 被称为互相关函数。 图1 - 8 ( a ) 和( b ) 分别为t 时刻和t + t 时亥4 颗粒运动图像。 ( a ) t 时刻粒子像某一查问区( b ) ”t 时刻粒子像同一位置查问区 图1 - 8 互相关算法原理图 浙江大学硕士学位论文刘小云 第一章绪论 图1 8 ( a ) 为t 时刻粒子位置，( a ) 为t + 厶t 时刻粒子像位置，箭头表示粒子在 a 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0 ，y ) = i ( 工，y ) ，则在t + t 时刻对应的图像函数可表示为 g ( x ，) ，) 2 i ( x 一厶x ，y 一y ) ( 1 3 ) 根据互相关函数的定义，可以得到g ( x ，y ) 和f ( x ，y ) 函数的互相关函数，有： c j 鲁( o ，f y ) = 缈 ，y ) g q t ，y - t y ) d x d y = 护( x ，_ y ) ，( x - - 缸一t ，y 一y - - z y ) 撕 ( 1 - 4 ) 另外，根据自相关函数定义，函数i ( x ，y ) 的自相关函数 c f l ( l x ，o ) 2j j ，( x ，y ) s ( x t ，y r y ) d x d y ( 1 5 ) 进而 c s g ( r ，f y ) 。庸( f ；+ 缸，f ，+ 衄) ( 1 6 ) 自相关函数是偶函数，且在原点取得最大值( 孙伸康，1 9 8 2 ；宗孔德，1 9 9 7 ) ， 即有不等式： c s ( 0 ，0 ) c 庸( f ，f y ) ( 卜7 ) 将式( 1 1 1 ) 带入式( 1 1 0 ) 中，有： c 后( l ，f ，) c 詹( 缸， 综上，可以通过计算流场中某一区域的图像硒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置，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 + t 时刻的位移，由于图像对的采集间隔t 已知， 则可计算出颗粒在at 内的平均速度： a x ”，。石 v ，= 詈 1 5 2p i v 用于气固多相流场测试现状 ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) p i v 应用于多相流动测试中，考虑与单相流的区别，在气固流中，取细颗粒 为气相示踪粒子，粗颗粒作为固相示踪粒子。这样，在两相之间会有明显的区别， 利用一些技术( 如t h ed i g i t a lm a s kt 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 应用于多相流动流场中，可同时确定各单相的速度分布 浙江大学硕士学位论文刘小云 第一章绪论 ( l i n d k e n ，1 9 9 9 ) 。随着p i v 技术的不断发展，p i v 的应用领域不断拓宽，目前 国际上已开始将p i v 技术用于气固多相流动中。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， 但已有一些研究者做出了初步的探索，石惠娴等人对p i v 技术进行了很好的总 结，并运用于循环流化床流动特性的测试，取得了一些研究成果。 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。在该文中，p i v 被用作用粒子图像获得速度的术语。它包括用粒子图像高密 度模型获得速度的方法( p i v ) 和用单个粒子追踪低密度粒子数的方法( p t v ) 。 固体颗粒采用密度为2 5 0 0 k g m 3 ，直径为2 9 3 9 m m 玻璃珠。原始图像由一个6 4 0 4 8 0 像素的高速照相机记录( n a ch s v 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圆两相流粒子轴向速度，但同时指出对于测量径向和周向 速度确有困难。同时) h 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。 l i n d k e n 等( 1 9 9 9 ) 用p i v 澳4 试了多相流中各相的速度场，指出当研究多相流时， 将来源于不同相的信号区分开来是必要的。魏名山等( 2 0 0 0 ) 为研究静电旋风除尘 器内的流场以便深入研究清灰等闯题，采用p i v 对不问进口流速、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 i i 】j 的激光器照明， 采用分辨力为1 0 2 4 x1 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。在测试截面位置一定时，获得了粒子切向速 度和径向速度沿半径方向的分布。在测试截面进出口流速一定时，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 速度值很小，切向速度沿轴向及径向的变化缀大。 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。 浙江大学硕士学位论文刘小云 第一章绪论 1 6 本文研究工作 构建方形管道中气粒两相方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湍流拟序结构演化的显示和观 测。研究两相湍流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s t o k e s 数、流动r e 数以及方柱排列方式等关键因素对颗粒扩散运动的影 响来刻画气固两相方柱绕流的物理特征) ，建立反映两相流绕流拟序结构运动学 和动力学特性的动态与静态和动态图象库，并进行相应数据的分析。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。 1 4 浙江大学硕士学位论文刘小云第二章气粒两相方柱绕流拟序结构实验系统 第二章气粒两相方柱绕流拟序结构实验系统 柱体绕流是一个典型的流体力学问题，以圆柱方柱绕流为代表的钝体绕流 已成为流体学的一个研究分支。人们之所以对其研究的热情经久不衰，是由于其 中很多重要的流动机理至今仍不清楚。长期以来，由于测试手段的局限，对桂体绕 流的研究主要集中在升力系数、阻力系数等直接与压力有关的测量，或者是利用 h w a l d v 进行的单点速度测量，对柱体后旋涡结构和演化过程的研究则多依赖 于定性化的流动显示技术。现在已广泛应用于各种流动的测量，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。它与热线风速仪、激 光测速仪等相比具有如下显著特点：能测量研究空间全流场的瞬态速度： 对流场干扰小。 本文采用流场显示技术作为主要研究手段，以空气为气相，用供粉器加入的 玻璃微珠作为颗粒相，利用p i v 测试技术以及热线风速仪，完成在绕方柱流情况 下对两相湍流拟序结构演化的显示和观测，研究在两相方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、方柱排列方式变化对颗 粒行为及湍流的影响) ，建立反映两相方柱绕流扭序结构的动态图象库和曲线图， 并进行了相应数据的分析。 2 1 实验系统的设计 本实验设计的两相方柱绕流拟序结构的实验系统由数个精心设计的功能模 块组成，可以组织稳定均匀的流场，完成对方柱绕流记录和图像处理、实验工况 的参数标定、连续定量供粉等功能。 图2 1 为实验台的示意图，他主要包括：气源，实验段，供粉系统，旋风 分离器和p i v 测试系统。 1 气源 本实验所用的气源是利用一个可调节鼓风机提供的，它能提供从i - 7 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， 通过调节排放支路的阀门实现对系统主流路气量的控制，从而到达调整进口气流 流量。改交气流r e 数的目的。 浙江大学硕士学位论文刘小云 第二章气粒两相方柱绕流拟序结构实验系统 3 5 6 7 卜进风口：2 - 调节阀；3 - 进料装置：4 - 实验段 5 - p i v 测试系统；6 一旋风分离器；7 - q l 风机。 图2 - 1p i v 用于圆柱绕流实验装置图 2 实验段 实验主体段由气流稳定段，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、电机脉动对喷口气流造成的扰动，设计了较长的稳 定段，同时安装了阻尼网。稳定段分为两段，来流通过第一段时，阻尼网对来流 进行第一次整流。气流进入第二段，阻尼网对来流进行第二次整流，以进一步打 碎来流中的大旋涡，使得小旋涡受到阻尼作用而很快消失，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。 实验测量对象为在方形截面的实验段中间横向布置为8 m i n x 8 r a m x1 4 0 m m 的 方柱体，柱体按不同方式布置，实验段竖直放置，气流从上而下横吹柱体；由于 柱体长度远大于其直径，测量截面为柱体至其下游l o c m 的对称面上，可以忽略 柱体两端的影响而认为是无限长柱体绕流问题。 实验段采用透明有机玻璃构成，背面有机玻璃板用黑布做背景，以减少反射 的背景光干挠，提高激光接受信号质量。气固两相流通过实验段后由旋风分离器 1 6 浙江大学硕士学位论文刘小云第二章气粒两相方柱绕流拟序结构实验系统 分离并收集颗粒回收利用，排气流流向引风机。实验段示意图如图所示。 图2 - 2 主体段示意图 1 一法兰 2 阻尼网 3 收缩段 4 稳定段 5 测试段 3 供粉系统 供粉系统由干燥器，天平，供粉器组成。 实验前，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，以 防止玻璃粒子受潮。 为了准确控制两相流的颗粒质量浓度比，向气相中连续的定量的注入颗粒。 本文采用了特别设计的供粉器。 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 组成。电机维持一定的转速，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 ) 实验前用天平标定供粉器在刚性轴在不同高度( 既锥形锤与出粉口之间环形 间隙的大小不同) 下的出料量，从而达到控制颗粒质量浓度比的目的。 4 - 旋风分离器1 、黉障唪瓣笺蠢捧萎矗i 晦瓤目黪鼙期媾。 图2 - - 3 供粉嚣结构示意图 译 浙征大学硕士学位论文刘小云第二章气粒两相方柱绕流拟序结构实验系统 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，而气体排入大气中。 5 p i v 测试系统 在搭建完实验主体台架的基础上，在浙江大学流体力学重点实验室的帮助 下，我们引入了p i v 测试系统。系统示意图如下： t 。 ，。 。囊o i 图2 4p i v 测试系统布置图 p i v 系统主要采用d a n t e c 公司出品的f 1 0 呐, f 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 n a n a g e r 软件。 其设备详细介绍如下： 一照明系统 针对研究的流场的特性，这里采用的是遮门等波激光系统，原理图如图2 5 所示。 本p i v 系统带有两台同样的激光器，在p i v 主机的控制下，能在规定时间间 隔下分别打出两片激光，从而c c d 相机能够捕获规定时间间隔下的两幅流场的瞬 时图片，用于后处理。 浙江大学硕士学位论文刘小云 第- f 气粒两相方柱绕流拟序结构实验系统 图2 - 5 激光片产生原理 二成像系统 c c d 采用激光同步，象素为7 6 8 x 4 8 4 ，c c d 镜头采用a f 变焦一尼克尔 2 4 8 5 r a mf di f ，焦距：2 4 r 啪到8 5 r a m ；最大光圈：f 2 8 f 4 ；焦距可读：2 4 、 2 8 、3 5 、5 0 、7 0 和8 5 m a 摄影距离刻度：以米和英尺为单位，从0 5 m ( 2 f t ) 至 无限大( 一) ：宏观开关设定在m a c r o 位鼍时，宏观对焦可低于约0 2 1 m ( 0 7 f t ) ： 最大成像比：1 ：1 6 7 ( 在2 4 衄) 至1 ：5 9 ( 在8 5 r a m ) ( 普通) ，1 ：3 6 ( 在3 5 r a m ) 至1 ：2 ( 在8 5 r a m ) ( 宏观) 。 三p i v 处理器及分析显示系统 该p i v 系统测试时，激光器发出激光束，光学元件将光束变成片光源照亮所 测流场截面。通过c c 0 相机捕捉连两个激光脉冲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。f l o w m a n a _ g e r 软件可以完成在线监测和存储图片功 能。后期图片处理采用适于高浓度的互相关技术匹配图像粒子对，测量t 时间 内示踪粒子在五，方向上的位移乃从而可以计算出品，方向上的移动 速度并指出速度方向。获得二维速度矢量场。p i v 的硬件参数如表2 1 所示。 表2 1p i v 硬件参数表 生产公司 丹麦d a n t e e 公司 规格型号 p i v 2 1 0 0 主要性能参数 1 二台脉冲激光嚣功率2 5 0 m j ，脉宽4 - 6 n s 2 流场范盛3 0 0 x 3 0 0 r 口r 1 9 嬲笊 盯(咖眦；醛磐 | 留一 茸 浙江大学硕士学位论文刘小云第二章气粒两相方柱绕流拟序结构实验系统 3 谴度范围：0 2 e s - 4 0 0 m s 仪器功能、特色及附件 1 能进行非穗态流动某一瞬间完整的速度场测量 2 c c d 镜头，片光源镜头。 3 三维座标架 适应范围稳态及非稳态流动流场测量及显示 2 2 实验工况及参考坐标系 2 2 1 实验工况 本文以方柱直径和绕流平均出流速度定义r e 数，研究参数分为：按r e 数分 r e 。= 3 1 9 0 ，r e 2 = 6 2 3 0 ；按颗粒粒径分“= 2 5 1 0 u m ，“= 6 0 i o u m 和d - 3 - - 2 - 1 0 0 + i 0 um ；按方柱的卜数和排列方式可分为单方柱绕流，并列三方柱绕流，和错列方 柱绕流。以上三种不同参数变化组合出各种不同的工况，本文在在各种工况下进 行的实验，得到两相方柱绕流的大量典型流场图片、相关的流线图及数据a 并着 重对各种工况下的轴向中心截面，x d = 2 、x d = 4 、x d = 6 的径向截面进行分析。 实验参数值如表2 2 所示： 表2 2 实验参数表 l雷诺数不同r e i = 1 5 7 6 ，r e j = 3 6 0 3 2 颗粒粒径不同 d - 。= 2 5 1 0 u m ，“= 6 0 1 0 u m 和d 。3 = 1 0 0 i o u m 方柱排列 3单方柱，单排方柱，错列方柱 方式不同 2 2 2 参考坐标系 如图2 6 所示，x 方向为绕流轴线方向：y 方向为绕流径向方向，其中，y 方向为垂直方向。u 、v 分别表示流体轴向移径向的速度。在实验数据处理中， 位置坐标均由方横截面边长d ( 8 r a m ) 无量纲化速度由相应的绕流出口速度无 量纲化。 加 浙江大学硕士学位论文 刘小云第三皇皇墼堕塑塑壁塑塑垫壁堕塑墅竺 图2 - - 6 参考坐标系 2 3 本章小节 本章首先介绍了两相方柱绕流实验系统实验台的组成，用途，以及p i v 测试 系统的构建，还介绍了实验工况及参考坐标系，实验的工况是由几个相关量组合 变化而成的，其中测试区获得清晰霉像是通过多次谓整的c