（流体力学专业论文）液固两相横射流的流场结构和颗粒扩散的实验研究.pdf

上海大学硕一1 - 学位论文 摘要 液固两相横射流是环境流体力学研究领域以及工程中常见的一种射流流动 形式，如水利水电工程中的含泥沙射流。它的流动结构和颗粒扩散机理比较复 杂，含有不同尺度涡结构的流场会影响固体颗粒的扩散，固体颗粒的存在又会 对流场结构和液相的湍流特性产生影响，因此是两相流理论和射流研究中重要 而又困难的问题。本文对液固两相横射流中颗粒的扩散分布和颗粒对流场的影 响进行了实验研究。实验中的主要测量仪器采用粒子动态分析仪p d a 。实验分 为两部分进行：第一部分是考虑液固两相横射流中环境横流和射流中都含有相 同浓度的细颗粒，测量不同流速比( 射流和横流的断面平均流速比值) 条件下 固相颗粒与液相之间流动特性上的差异，包括对称面上，射流下游不同断面上 沿流向和壁面垂向的时均速度、脉动速度，湍动能，固相浓度的分布。固相颗 粒采用平均粒径为7 0 9 m 的空心玻璃微珠，固液密度比约为1 。在p d a 测量中， 采用平均粒径为1 0 9 m 的颗粒作为示踪粒子。第二部分是，只有在射流中含有 不同粒径的大颗粒，在固定流速比下，不同粒径的颗粒在不同的质量载荷( 含 有液圃两相的射流中固相质量和液相质量比值) 下对液相流动湍流特性的影响。 实验中采用三种固相颗粒的平均粒径分别为3 0 0 微米、5 0 0 微米、8 0 0 微米，固 液密度比约为2 4 。 第一部分实验研究结果表明： 1 由于固相颗粒平均粒径为7 0 9 m ，实验中固相对液相有良好的跟随性，液固 两相的湍流特征量只在射流近区断面上出现峰值的位置的近区有微小差别。 2 固相颗粒沿下游不均匀扩散且集聚在剪切涡区，各湍流特征量在断面上呈双 峰分布，在离射流出口较远的下游断面上由于受射流影响较小，各湍流特征 量趋于均匀分布。 第二部分实验研究结果表明： 3 由于射流中的大颗粒射入横流后和射流主体轨迹发牛偏转，固相颗粒的存在 分别在断面时均速度出现最小值的区域和近底壁区增大和减小了液相时均 速度，且颗粒粒径越大、质量载荷越大对液相时均速度影响也越大。 v 上海大学硕1 ：学位论文 4 在射流近区断面上受射流主体影响较大的区域，由于颗粒的尾涡效应，固相 颗粒的存在增大了液相的湍流度，且颗粒质量载荷越大对液相湍流度的影响 也越大。 关键词：液固两相流，横射流，颗粒扩散，p d a 测量 v i i 二海大学硕十学位论文 a bs t r a c t t w o p h a s ei e ti nc r o s s f l o wc a nb ee n c o u n t e r e di nm a n ye n g i n e e r i n gf i e l d s e s p e c i a l l yi ne n v i r o n m e n t a lf l u i dd y n a m i c ss u c ha ss e n d i m e n t 1 a d e ni e ti nf i v e r t h e f l o wf i e l dc a u s e db yje ti nc r o s s f l o wi sq u i t ec o m p l i c a t e da n ds oi st h em e c h a n i s mo f p a r t i c l ed i s p e r s i o n p a r t i c l ed i s p e r s i o nc a nb ea f f e c t e db yt h ef l o wf i e l dc o n t a i n i n g v o r t i c e sw i t hd i f f e r e n ts c a l e sa n dt h ef l o wf i e l dc a na l s ob ea f f e c t e db yd i s p e r s e d p a r t i c l e si nr e t u r n t h e r e f o r e i ti sr e g a r d e da sac o m p l i c a t e da n ds i g n i f i c a n tp r o b l e m t ob es o l v e d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no np a r t i c l ed i s p e r s i o na n di t se f f e c to nt h e f l o wf i e l da r ec a r r i e do u ti nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e di na no p e n w a t e rf l u m ea n dp d ai su s e dt om e a s u r et h ef l o wf i e l d t h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e d i nt w op a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，b o t hi e ta n dc r o s s f l o wc o n t a i n i n gf i n ep a r t i c l e sw i t h m e a nd i a m e t e ro f7 0 1 x ma n dd e n s i t yo f1g c m a r et w o - p h a s em i x t u r ew i t ht h es a m e c o n c e n t r a t i o n t h et u r b u l e n c eq u a n t i t i e ss u c ha st i m e a v e r a g e dv e l o c i t y , f l u c t u a t i o n v e l o c i t ya n dt u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g yf o rb o t ht h es o l i dp h a s ea n dt h e1 i q u i dp h a s e u n d e rd i f f e r e n tv e l o c i t yr a t i o so fi e tt oc r o s s f l o wa r eo b t a i n e do nt h em e a s u r e dl i n ea t t h ed i f f e r e n tp o s i t i o n sd o w n s t r e a mo ft h ef l o wi nt h es y m m e t r i cp l a n e a n dt h e p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t i l b u t i o n sa r eo b t a i n e da sw e l l i nt h es e c o n dp a r t ，r e l a t i v e l y l a r g ep a r t i c l e sw i t hm e a nd i a m e t e r so f3 0 0 9 m ，5 0 0 1 t m ，8 0 0 9 ma n dd e n s i t yo f 2 4 9 c m 3a r em i x e di nt h eie to n l y c h a n g e so ft u r b u l e n c eq u a n t i t i e so ft h ef l o wf i e l d c a u s e db yp a r t i c l e su n d e rd i f f e r e n tm a s sl o a d i n ga r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rm ef i r s tp a r ti n d i c a t et h a t ： 1 p a r t i c l e sc a nf o l l o wl i q u i dp h a s ev e r yw e l la n dt u r b u l e n c eq u a n t i t i e so fs o l i d p h a s ea n dl i q u i dp h a s es h o wn os i g n i f i c a n tv a r i a t i o na tm o s tp o s i t i o n se x c e p tf o r r e g i o n sw h e r ep e a kv a l u eo ft u r b u l e n c eq u a n t i t i e so c c u r s 2 3 4 p a r t i c l e si nt h er e g i o nw h e r es h e a rl a y e rv o r t i c e so c c u rs h o wl a r g e rc o n c e n t r a t i o n a n dt u r b u l e n c e q u a n t i t i e s o fp a r t i c l e sa p p e a rt w o p e a kd i s t r i b u t i o no nt h e m e a s u r e dl i n ew h i c ht e n d st ob em o r eu n i f o r md o w n s t r e a mo f t h ef l o w t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt h es e c o n dp a r ti n d i c a t et h a t ： t i m e a v e r a g e dv e l o c i t yo fl i q u i dp h a s ew h i c hc o u l db em o r en o t i c e a b l ya f f e c t e d b yp a r t i c l e sw i t hl a r g e rd i a m e t e ra n dh i g h e rm a s sl o a d i n gi si n c r e a s e di nt h e r e g i o nw h e r em i n i m u mv a l u eo fi to c c u ra n dd e c r e a s e dn e a rt h eb e dr e s p e c t i v e l y d u et ot h ee x i s t e n c eo fp a r t i c l e s t u r b u l e n c ei n t e n s i t yo fl i q u i d p h a s ei sa u g m e n t e dd u et o t h ee x i s t e n c eo f p a r t i c l e si nt h er e g i o nh i g h l yi n f l u e n c e db yje t ，a n dt h ea u g m e n t a t i o ni sm o r e n o t i c e a b l eu n d e rh i g h e rm a s sl o a d i n go fp a r t i c l e s k e y w o r d s ：l i q u i d - s o l i dt w o - p h a s ef l o w , j e ti nc r o s s f l o w , p a r t i c l ed i s p e r s i o n ， p d am e a s u r e m e n t v i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：磊釜丛笔导师签名：五垒重日期： i l 1o 口、- 7 、t r 刁 卜海大学硕上学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 液固两相横射流( j e ti nc r o s s f l o w ) 是指含有固体颗粒的射流垂直或以一定角 度射入流动的环境横流中，环境横流可以是比射流浓度低得多，故可看作单相 流的流体；也可以是受污染严重( 固相含量较高) 和射流浓度相当的两相甚至多 相流体。这是环境流体力学研究领域以及工程中常见的一种射流流动形式，如 环境工程中河道、河口水域含固体废弃物污水排放扩散器的射流，水利水电工 程中的含泥沙射流，航道疏浚工程中的边抛泥浆的倾泻和排放，以及化学工程 中的混合容器等【】。与单相射流相比，液固两相射流的流动结构和颗粒扩散比 较复杂，一般来说，固体颗粒的存在会对流动结构和流体的湍流特性产牛影响 ( t u r b u l e n c em o d u l a t i o n ) r 7 1 ，流体湍流特性的改变又会反过来影响固体颗粒在流 场中的运动和扩散特征，它们之间这种双向耦合的相互作用与流动雷诺数、液 固混合浓度、颗粒特性以及流场结构等有关，是两相流理论和实验研究中重要 而又困难的问题。 液固两相横射流不仅包含有自由剪切层和边界层分离流动等流动结构，而 且涉及到液固两相射流与环境横流之间复杂的相互作用( 如图卜1 所示) 。在近 区范围内，这两者之间的相互作用将会导致产生一系列的大尺度涡结构，这些 大尺度的涡结构具有较强的各向异性和非定常特性，对近区范围内两相横射流 的流动结构以及颗粒扩散起主导作用，在其形成和发展过程中与固体颗粒之间 存在着动量、能量的交换和输运。一般来说横射流中的主要大尺度涡结构可以 分为以下四类： 剪切涡，即由于射流与环境横流之间的速度差异所导致的涡结构； 马蹄涡( h o r s e s h o ev o r t i c e s ) ，即为横流受到射流阻碍作用在围绕射流 形成的大尺度涡结构； 尾迹涡( w a k ev o r t i c e s ) ，即在环境横流绕流作用下射流主体边界由于 剪切变形在射流背流面下游形成的涡结构； 1 - 海大学硕士学位论文 反向旋转涡对( c o u n t e r - r o t a t i n gv o r t e xp a i r , c v p ) ，即当速度大于环境 横流的射流垂直进入环境水体后，由于射流与横流间速度不连续形成 的剪切层内的涡旋卷吸环境流体，射流主体流速减小而断面面积增加， 同时射流断面形状由圆形变为肾形，在肾形的断面内存在的一对旋转 方向相反的涡结构，该涡结构即为反旋转涡对。 图卜1 射流与横流相互作用所形成的各种涡结构示意幽( n e we ta 1 2 0 0 3 ) 1 1 2 1 在液固两相横射流的工程问题中，如在流动环境水体中，含固体颗粒污水 射流的排放。初始混合区( i n i t i a lm i x i n gz o n e ) 的流动结构和颗粒扩散过程不仅影 响近区范围内的水环境污染状况，而且对远区的流动形态和颗粒输运有着重要 的影响。要掌握初始混合区的范围和稀释能力，目前通常采用经验或半经验的 稀释度计算模型来确定，将液固两相射流中固体颗粒的扩散类比于分子扩散的 f i c k i a n 过程，应用梯度扩散理论分析射流以及颗粒扩散的特征量，在早期的研 究中对水流紊动扩散系数经过某些修正来得到所需要的颗粒扩散系数【8 j ；或是 利用简化的颗粒运动方程来求解颗粒的扩散过程和空间分布，这样的近似处理 对颗粒与流场中各种尺度涡结构之间的相互作用机理还考虑不够，在近区范围 内得到的结果往往与实际情况相差甚大。究其原因是由于目前对液固两相横射 流的流动机理和相间相互作用还不清楚。以往曾对单相横射流中射流与横流相 互作用所形成的大尺度涡结构进行过一些实验和数值研究1 1 ，通常把整个射流 卜海大学硕：l j 学位论文 分为起始段i 、弯曲段i i 和顺流贯穿段i i i 三部分，研究射流主体在不同阶段 的演变情况和涡结构特征，如图1 - 2 所示。在液固两相横射流中，对各种涡结 构，特别是这些大尺度涡结构与射流中所含固体颗粒之间的相互作用机理缺乏 了解，这些大尺度涡结构在形成和发展过程中，除了与环境流体之间存在的卷 吸和混合作用，与射流中所含固体颗粒之间的相互作用将对流动结构和颗粒扩 散特性产生重要影响。 心线 图卜2 以往的实验研究对横射流分区不意图 液固两相横射流是一种含有各种尺度的涡结构的典型流场，各种尺度涡结构 与颗粒之间的动量、能量的交换和输运能力是不同的，不同尺度涡结构与颗粒之 间的相瓦作用存在差异，不同粒径的颗粒对流场也有不同的影响。另外，深入了 解液固两相流中涡结构对不同粒径固体颗粒扩散的影响，对横流中液固两相射流 的颗粒扩散特征有更清楚的认识，可为实际工程问题中控制含固体颗粒( 泥沙) 射流冲刷、淤积以及掌握含固体颗粒( 泥沙) 污染物排放对水环境的影响，在改 善水环境、提高工程效益、降低能源消耗等方面都有重要作用。因此本论文对液 固两相横射流的涡结构和颗粒扩散的研究具有一定的理论意义和工程应用价值。 l 海大学硕士学位论文 1 2 国内外研究进展 1 2 1国内外单相横射流实验研究进展 人们早期对横射流的实验研究辛要集中在对单相流的研究，并取得了一定 的进展，并且随着平面激光诱导荧光技术( p l i f ) 、粒子图像测速( p i v ) 、激 光多普勒测速仪( l d v ) 、粒子动态测速仪( p d a ) 和热线风速仪正逐渐成为流 场测量实验中的主流设备，射流内部己及射流与主气流掺混区域的一些大尺度 结构和粒子间的相瓦作用也将逐渐被人们所认识。 早期的单相横射流实验研究主要是测量不同流动参数下的射流轨迹，后来 研究人员把重点放在了平均速度和湍流统计特性的研究上。c r a b b ( 1 9 8 1 ) u 3 最早使用热线和激光多普勒测速仪( l d a ) 测量横向紊动射流，得到了射流中 的平均和脉动速度值。1 9 8 4 年，a n d r e o p o u l o s 和r o d i i l 4 j 利用三维热线探针同时 测量了横射流射流近区3 个方向上的时均速度和湍流动能，并得到了在三种射 流横流流速比( r = o 5 ，1 ，2 ) 下随流速比r 的变化关系。s h e r i f 和p l e t c h e r u s l 于 1 9 8 9 年做了同样的实验，实验在长8 5 3 m ，宽0 6 1 m ，深1 0 6 7 的水槽中进行， 他们采用二维探针和一维探针相结合的方法，完成了对低雷诺数流场的测量， 得到了热横向紊动射流的热力学特性。k a m o t a n i 和g r e b e r ( 1 9 7 2 ) 【16 j 分别测量 了加热和不加热的单股射流的轨迹、横向和径向的平均速度场、温度场和湍流 度、认为流速比r 决定着流场的特性。他们还发现在射流背后形成的尾涡丰导 着射流结构。1 9 7 7 年m o u s s a 等旧也通过近射流区域的三维速度测量发现在下 游区域存在着圆形涡旋对，射流近区决定了射流沿下游的运动和发展，射流出 e l 的几何形状对射流演化起着重要的作用。a t k i n s o n 等( 1 9 8 2 ) u 8 j 通过实验研 究了对置的垂直射入主气流中的紊动射流问题，得到了平均流动特性和湍流特 性。 随着光电技术的发展，利用光学理论建立的激光多普勒测速仪( l d v l d a ) 被广泛应用到流动实验测量中，近年来随着计算机技术和激光技术的迅速发展， 粒子图像测速( p i v ) 技术也迅速成为流场测速的一种方法。p d a 不仅有 l d a l d v 的功能，而且还能同时测量粒子的粒径及各种湍流特征量，对研究 4 j - 海大学硕士学位论文 两相横射流起着重要的作用。c a t a l a n o ( 1 9 8 9 1 9 9 1 ) 【l9 j 利用l d a 对不同速度 比( r = 2 ，4 ) 下的平均和脉动流场进行了测量，和其用模型计算所得的结果在 流场下游吻合较好，在射流出口结果相差很多。其中计算模型采用的是稳态三 维模型，结果还发现当流速比r = 4 时有冲击现象发牛。b a r a t a ( 1 9 8 9 1 9 9 6 ) 1 2 】j 利用l d v 测量了横流中的单股和对置的双股射流的速度场。实验中，射流横流 流速比尺约为3 0 ，基于射流出口的雷诺数为6 0x 1 0 4 和1 0 5 1 0 5 ，射流出口位置 距底壁5 倍射流出口直径。跟计算所预测的结果吻合的较好。a j e r s c h ( 1 9 9 7 ) 瞄j 利用l d v 对多股射流的流场进行了测量，实验在低速风洞中进行，6 股矩形截 面的射流垂直射入横流流场，各个射流出口之间的间距为出口管径的3 倍，射 流横流流速比分别为r = 0 5 ，1 ，1 5 。实验分别得到了不同流速度比下平均速度 场、湍动能和雷诺应力的分布。n e j l am a h j o u bs a i d 等( 2 0 0 7 ) 【2 6 j 用流动显示和 p i v 技术试验研究了对称面上横射流近区的流场结构和涡结构，射流横流流速 比从0 3 7 5 到3 ，相应的射流出口雷诺数为1 6 6x 1 0 3 到6 3 3 1 0 3 。除了得到了流 场的速度场，结果还表明了尾涡的起源和形成机理跟固体结构物的脱落涡有所 差别。 近年来，国内的研究人员也对横射流的流场及其传热特性进行了实验研究。 王海军等人( 2 0 0 1 ) 【27 j 对热横向紊动射流近壁区的射流轨迹、温度场和换热系数 进行了测量，得到了3 个不同区域内近壁区流体的温度随r 值变化的规律。徐 红洲等人( 1 9 9 7 ) t 2 8 】利用旋转五孔探针和热电偶相结合的方法，对圆形、扇形、 锥形气膜冷气孔的流动和传热特性进行了实验比较，得到了射流和丰气流相瓦 作用下的速度和温度分布规律。郭婷婷等( 2 0 0 3 ) 【2 9 j 利用热线风速仪测量了多角 度入射不同工况下横向紊动射流的速度场和湍动能，为确定不同工况下的射流 轨迹公式、验证湍流模型和数值方法提供了大量的实验数据。黄真理等( 1 9 9 4 ) p 0 j 利用p l i f 技术针对污水排江排海问题，测量了浓度场，获得了定常横流环 境中单孔及多孔排放下射流的三维浓度场。王道增、樊靖郁、张燕等( 2 0 0 5 ) l j 用p i v 对横流冲击射流的涡旋结构进行了实验研究并用大涡模拟方法对其做 了数值研究。国内外的学者们对单相横射流的实验研究为研究两相横射流特别 是液固两相横射流奠定了一定的基础。然而，由于受理论和实验上的限制，相 上海大学硕士学位论文 比单相横射流来说，两相横射流的研究特别是液固两相横射流相对较少。 1 2 2国内外两相射流实验研究进展 液固两相横射流中固相颗粒对流场的影响和颗粒扩散特性是环境水力学、 多相流体力学等研究领域中尚未深入了解的重要问题。经典的理论分析方法是 采用颗粒运动方程来研究颗粒在流场中的扩散过程，如m a x e y 和r i l e y ( 1 9 8 3 ) 【3 1 1 提到的b b o ( b a s s e t b o u s s i n e s q o s e e ne q u a t i o n ) 方程形式为： (+!筹)盟=三学生+一18z；一2p d t2pd t p p d ，一叫+ ( 1 一等p ) g + 。 p 7 p；_ 7 、 p ” 去筹p压、， | ： ( 要a , , ，, 4 - i - z - a f j = ( 音班 f 对于气固两相流来说，由于气固两相的密度比p ，p 。 1 时，颗粒的存在将会 增强流体湍流，并且颗粒的运动将穿透涡结构；当s t 臀 d 爿 q qqoo 嚣冬 一一一j 煺1 | ，蘸仆 一髹凿 挺 羲 寸 寒 搭 ，t - - ： 寸 o 。 摹 、 on 皿| 熹 n心 寸 。o n ? v 、n o 寸 装装 o ?2 p 、p 、 2 ，茁寸岔n 蜂 导 q冀 n凸o o 摹 皿望 o o ot q 。_oo 。o o hno o o h 靶 oo o 爨 ooo 殳o岔o oa oo 昌适o。n、 梨蔓 no o 2n 岔oo oo o o o o oo oo 鬃。 o ooo 寸o o no 。们oo o o o小岔o v 、 h 寸t qn n hh 。 t qt q 卜n 卜 - 一t qh 1n 蜊一 稍飞 巢耍 oooo o 呐o o o o o o oo _ ooon o o o o o o o o岔n 矮 nv 、ooo 呐on n u 、寸 v 、v 、 n n - _- _n卜n n r 、】t qnc 、q 鼗 袋鼗 闷门门 窭 旺巢臀懈 将糙将罄窭臀黎懈粱 僻球馁罄 蓝糜攥餐醮磔瀑餐嶂整器餐罪 餐博餐餐 睁 1 峰 将濯 东 醐旺对 妒 妒 旷 对妒扩 旺倒剥州 剁*甜州州*州 鼎 寸 q 嫣 r - - ro , t - k ? 鳎岔张 o o t - 呐 u 、 鹾邑 卜 n r q 卜v 、n _ n ? 29oo2 _ t q n 心 o oo - _，_no v 、 gg g g吕g g g 岔 口岬口 g g 坩呐景呙 浸昌兰昌 旨 g吕 g g g 品 吕 焉善 g骞 g 导 bo瓷o墨on n 眨 长。张。c 甲、-u 、寸“ 寸n 寸n h nc n 。艇。聪。魁娆魁 半拯半她 半池半拙半醚半聪半隧 半憋 半送 半拉 唰 期测捌割测捌 测测测期 蜊扭拉啦她眯嵘眯眯眯眯 臀 睁 涮* 删 斗涮删 鼬 涮删 煺长幽长幽*崩幽长崮到 r 1 勺 p 一 u t= - 主 盘： c 口二 - 苗 墨笔 g 础 量至 卫王 善导 耋鼍，u u 一 _ _ j t寸 蚕专 器高 盘苗 粑 譬虿 o 亨。拿匐 世蒋芎 o 笛苗簋芯兰乞j 【9】心oon，墨1人v惑h繇林酶州s釜蓬旧恹煺罂睦柑 、 幅 _- d_q 巴 兮嫣1 乓 q 山a 一山厶厶 一 _ - 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p d a ) 对方形水平管道内的气固两 相流在不同工况下的丰流方向平均速度和湍流度进行了测试，王围忠等( 2 0 0 5 ) 【6 l 】用p d a 测量了冷态模化的炉膛再燃区域气固两相流场的速度、粒子粒径和浓 度，崔金累等( 2 0 0 5 ) 1 3 5 1 采用p d a 测量了气固两相圆湍射流气相在轴向和径向 上的平均速度及湍流度，j k u s s i n & m s o m m e r f e l d ( 2 0 0 2 ) 1 6 2 j 采用p d a 测量 了不同壁面粗糙度条件下的水平气固两相渠道流内颗粒行为和湍流特性。可见， 以往利用p d a 的实验研究大部分集中在气固两相，对液固两相的实验研究相对 较少。 本文采用水槽实验，对不同的射流与横流流速比条件下，在下游不同断面 上，采用l i f 流动显示、p d a 测量得到液固两相横射流中流场结构、固相颗粒 1 2 ：坶大学硕上学位论文 浓度分布及扩散信息，分析了射流与横流相互作用所产生的大尺度涡旋结构对 固相颗粒扩散的影响以及不同粒径的颗粒对流场湍流特性的影响。 2 2 实验水槽及射流装置 本文实验在上海大学应用数学和力学研究所工业与环境流体力学实验室的 小型玻璃水槽中进行( 如图2 - 1 所示) ，水槽尺寸为2 7 0 c m ( 长) 2 5 c m ( 宽) x 5 0 c m ( 高) ，最大流速约为0 3 m s ，水槽的水深、流速可由变频电机拖动的 水泵调节和尾门开度精确控制。图2 - 2 为实验装置示意图，在第一部分实验研 究中，考虑液固两相横射流中环境横流和射流中都含有相同浓度的细颗粒的，储 水箱里含有颗粒的水通过水泵被抽到带有溢流装置的射流箱和玻璃水槽里，射 流箱里溢流的水通过溢流管回到储水箱。而在第二部分实验中，考虑只有在射 流中含有不同粒径的大颗粒粒子，含有不同粒径的颗粒预先原清水混合同时放 在射流箱和另一带有搅拌器的储水箱中，然后通过水泵把液固两相混合物抽到 带有搅拌器的射流箱，射流箱里的溢流再通过皮管返回到带有搅拌器的储水箱， 形成一个液固两相流循环系统。射流箱和作为射流管的细长玻璃管( 内径d 为 55 m m ) 通过塑料导管连接，以得到充分发展、均匀的射流。实验时射流出口 速度由装在射流箱上的流量计控制。射流出口置于横流液面下约1 c m 处，以避 免射流入水时对自由表面的t 扰。 图2 - l 实验中玻璃水槽布置图 辫大学硕上学位论文 ( a ) 第一部分实验装置示意图( 射流和横流含有相同浓度细颗粒) ( b ) 第一部分实验装置示意图( 只有射流含有人颗粒) 幽2 - 2 液两相横射流实验装置示意图 2 3 实验中液固两相属性及测量方法 在本文第一部分的实验中，作为p d a 示踪粒子( 平均粒径约为1 0 p , m ) 的 空心玻璃微珠和固相颗粒( 平均粒径约为7 0 “m ) 的空心玻璃微珠( 密度 l 海大学硕：l ：学位论文 p f l 0 5 0 k g m 3 ) 被添加到储水箱中。固相和液相以体积比约1 ：2 0 0 0 配比，充 分搅拌后形成均匀稀相液固两相流。射流流体和环境横流流体都源自储水箱， 故可以看成是相同性质的两相流体。在第二部分的实验中，平均粒径约为1 0 9 m 的示踪粒子仍然加入到横流和射流中，另外只在射流中加入三种平均粒径分别 为3 0 0 p a n 、5 0 0 9 m 、8 0 0 p m 的大颗粒，密度均为2 4 0 0 k g m 3 。由于第二部分实验 中，从射流出口射出的大颗粒基本上都沉积在玻璃水槽下游底壁，少量通过尾 门也沉积在连接尾门和储水箱的循环水管底壁，因此可忽略循环中再次进入玻 璃水槽的大颗粒。 流动显示实验时，所用示踪剂采用由上海试剂三厂生产的罗丹明b ( r h o d a m i n eb ) 。环境横流流体采用清水，仅在射流流体中加入示踪剂，以区 分环境横流流体和射流。分别在5 种不同流速比( r = 2 ，4 ，6 ，8 ，1 0 ) 条件下做流 动显示，以定性地观测和记录不同流速比时射流进入横流后的流动形态以及大 尺度涡的演化过程。 本实验中的测量仪器采用丹麦d a n t e c 公司生产的3 维p d a ( 如图2 - 3 所示) ， 可以同时得到液固两相横射流中流场速度、湍流度分布，固相颗粒粒径、浓度 分布，进而得到颗粒扩散的信息和流场包括涡结构对赖粒扩散的影响。 图2 - 3p d a 系统激光发射器和处理器 上海大学硕上学位论文 2 4 粒子动态分析仪( p d a ) 2 4 1p d a 技术简介 p d a 测速利用了多普勒原理即波源和接收器之间的相对运动引起的波运 动( 声波、电磁波等) 的频率变化。如图2 4 是多普勒频移示意图。e l 、e 2 分别 是由静止激光光源发出的入射光，e 。为散射光，将被静止的监测器所接收。u 是运动粒子的速度矢量【6 3 】。 图2 - 4 多普勒频移示意图 静止光源1 与运动微粒之间的频率关系为： f p 棚一孚) 运动微粒与静止光检测器之间的频率关系为： 六：兀( 1 + 盟) 。 c 故静止光检测器从光源1 接收到的频率为： ，：；( 1 一堕) ( 1 + 堕) cc 其中c 为光速。由于u c ，略去二阶小量，可得： 1 6 上海大学硕+ ：学位论文 ，= z 1 +塑盟屿 c 同理可得静止光检测器从光源2 接收到的频率为： 六2 = 以 1 +塑生旦 c 由于两束激光的频率相同，则光检测器接收到的两束散射光的频差为： 厶：六：一f ：，塑竖立：塑擘立 c九 根据几何关系，有： 厶= 半s t n 知p + 争 和跟垂直两束入射光交角的平分线的速度分量u 。的关系为： f d ：2 s i n ( 丁o 2 ) u l 其中0 为两入射光夹角，a 。为激光波长。从而我们可以得到垂直两束入射光交 角的平分线的速度值。 p d a 测量粒子尺寸是根据米氏散射理论，采用相位差法，即把多个检测器 置于不同散射角的位置，各检测器产牛的信号呈现相位差。通过计算可得相位 差和粒径d 之间的关系： 1 2 一_ 刀_ 7 1d ( i 一殷) l 其中，r 。是散射介质的折射系数，届，：是几何系数，分别依赖于各束激光的散 射模式和检测器的放置。从而可以求得粒子的粒径。图2 5 也说明了相位和粒 径之间的关系。 ：海大学硕士学位论文 图2 。5 理想化的颗粒粒径和相位关系 可见p d a 的测量模式是非接触式测量，测量过程对流场无干扰，适合于旋 涡测量、恶劣环境中测量( 如燃烧等) ，它具有以下优点： 空间分辨率高，测量体积小于1 0 4 m m 3 ，适合于边界层、薄层流体、极狭 管道中的测量 动态响应快，速度信号以光速传播，惯性极小，适合湍流脉动速度的测量 测量精度高 测量的速度范围大，多普勒频移从低速到高速是一个线性关系式，不需要 进行校准 2 4 2 本实验中p d a 介绍 本文实验所采用的是丹麦d a n t e c 公司生产的3 维p d a 系统，图2 - 6 是p d a 系统各组成部分和光路布置的示意图。 1 i 。 上海大学硕士学位论文 计锋机 图2 - 6p d a 系统各组成部分和光路布置示意图 各部分的具体型号参数如表；一1 所示。 表2 1p d a 系统各丰要组成部分型号 l a s e rm o d e la 一2 3 7 i o na r g o n l a s e r b r a g g c e l l d a n t e cd y n a m i c sf i b e r f l o w ( + 4 0 m h zs h i f t e d ) p r o c e s s o rb s af l o wa n dp a r t i c l ep r o c e s s o rp 8 0 t r a v e r s e l i g h t w e i g h t 本实验中的激光光路采用前向接收模式( f o r w a r ds c a t t e r ) ，即把发射探头 和接收探头各置于待测流场的两侧，如图2 - 6 所示。相比后向接收模式 ( b a c k s c a t t e r ) ，前向接收模式所得到的光信号较强，避免了不必要的增大激光 功率，相对容易得到较好的多普勒信号。激光发射探头和接收探头各置于三维 坐标架( l i g h t w e i g h tt r a v e r s es y s t e m ) 上，由计算机控制可分别在x ，y z 方向移 动，移动步长可精确至0 0 5 m m 。 实验中，设置各参数如下表2 2 所示： t 海大学硕i 学位论女 表2 - 2p d a 光路系统所设置参数 l d a 3 d o l a t i c s p d a r e c e i v e r w a v e l e n g t h ( u d 5 1 45n m t y p e f i b e r p d a w a v e l e n g t h ( u 2 ) 4 8 80n m s c a t t e r i n g 3 0d e g r e e b e a r f id i a m e t e r10 m mf o c a l5 0 0 m m f o c a ll e n g t h5 0 0 m mb c a m10 b e a m e x p a n d e r l0 f r i n g e p o s i t i v e b e a ms p a c i n g3 80 m m s c a a e d n g r e f r a c t i o n 实验中，当发射探头和接收探头的焦点重舍在待测点上且有颗粒经过该待 测点时，安装在计算机上的软件( b s a f l o ws o f t w a r e ) 会显示多普勒信号如 图2 7 所示。图中的两条垂直的虚线显示经过f f t 处理器的记录长度，从而可 以确定多普勒频率。 图2 。7 多普勒信号 上海大学硕十学位论文 2 5 实验参数与工况 本文第一部分实验主要研究不同射流与横流流速比r 、下游对称面上不同 断面位置流场结构和颗粒扩散情况，不考虑水深变化对其影响。待测量的断面 位置如图2 8 所示。每个断面上根据不同的射流掺混区域布置约2 0 个测量点， 第一部分实验中测点共计7 4