（油气储运工程专业论文）幂律流体环空管道内部流场piv实验研究.pdf

a b s t r a c t a n e x p e r i m e n ts t u d y f o rp o w e r - l a wf l o wf i e l d i na n n u l u sl i n ew i t hp t e c h n o l o g y a b s t r a c t p t e c h n o l o g y h a sa c h i e v e d p o p u l a rs e l f - i d e n t i f yt h r o u g h t e n y e a r s d e v e l o p m e n t ，i t sa p p l i e dr a n g eh a sb e c o m ew i d e ra n dw i d e r , a n db e c a m eak i n do f b a s i ct e s tm e a n sw i t l lw h i c hp e o p l er e s e a r c hf l o wf i e l d p o w e r - l a wi sak i n do fn o n - n e w t o n i a n , a n di su s e di no i lf i e l dw i d l y b u tt h e s e r c s e a r c h e sf o rt h ef l o wp a t t e r no f t h ep o w e r - l a wa 咒i nt h e o r e t i c a lr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , a i m i n ga tt h ed i f f i c u l t yo fr e s e a r c h i n ga n n u l u sl i n ef l o wf i e l dn o w , e x p e r i m e n ts t u d yf o rp o w e r - l a wf l o wf i e l di na n n u l u sb ed o n el e s se s p i c a l l y s oas u i t o fa n n u l u sm o d e lh a sb e e nd e s i g n e dw i t h o u tr e f e r e n c ea n d e x p e r i e n c e ，f l o w d e c i p l i n a r i a ni na n n u l u sl i n ec a l lb ek n o w nw i mp i vo nt h ee q u i p m e n t f l o wd i s c i p l i n a r i a no fd i f f e r e n tp hi n d i c a t o rp o l y m e rs o l u t i o na n dn e w t o n i a n l i q u i di na n n u l u sl i n eh a db e e ns t u d i e d ，a n df o u n ds p e e dd i s t r i b u t i n g ，v o r t e x ， s t r e a m l i n eo fa n n u l u sl i n e ，a n a l y t i cf l o wf i e l dd i s t r i b u t i n gi na n n u l u sa n de c c e n t r i c s i t u a t i o na n dc o m p a r e dt h er e s u l t sw i t hp r e v e n i e n ts c h i o a r , s o m er e s u l t sd i f f e r e n tf r o m p r e v e n i e n tr e s u l t sa r eg e t , s h c ha s t h er e l a t i o no fa v e r a g ev e l o c i t ya n dm a x i u m v e l o c i t yi sn o tl e s sw i t ht h ev i s c o s i t ye x p o n e n tu n d e rt h ea n n u l a rl i n e ，t h ef l u i ds p e e d a f f e c tt h er e l a t i o n i ft h ef l u i ds p e e di ss l o w , t h e nt h el a wi se x i t i n g ，h o w e v e rt h ef l u i d s p e e di ss w i f t ，t h el a wi s n t a n dt h eb i g g e rv i s c o s i t ye x p o n e n ti su n d e rt h ea n n u l a r l i n e ，t h ee a s i e rt h ev o r t e xi sf o r m e d ，t h u ss o m ee x p e r i m e n t sm u s tb ed o n e ，s ot i l a tw e c a nc o n d u c tr e s e a r c hf u r t h e r , t h r o u g ht h e s et e s t s i nt h i s p a p e r , p r o v e dt h ef e a s i b i l i t y o fa d v a n c e dp i v t e c h n o l o g yf o rt h er e s e a r c ho ft h en o n - n e w t o n i a nf l u i df i e l di na n _ r m l a rl i n e ，t h ev i e w i sp r o p o s e df i r s t ，s u p p l i e dt h i n k i n gf o rt h et e s t so fo t h e rf l u i d sf l o wl a wa n d a c c u m u l a t e ds o m ee x p e r i e n c e su n d e rl o wr e n o l dw i t hp ： k e yw o r d s ：p i vt e c h n o l o g y ；p o w e r - l a wf l o w ；c o n c e n t r i oa n n u l u sf l o w ；v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n ；f l o wf i e l d 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论帚一早珀下匕 非牛顿流体力学的研究是最近几十才开始引起人们的兴趣的，因为生产实际 中大量存在的流体许多都具有非牛顿流体的特性，如石油工业中的油水乳状液、 低温下的原油、高含蜡或沥青质的原油、钻井液与完井液等，就其流变性来看， 常都属于非牛顿流体f 7 】【8 】【9 】1 2 l 】。其中的一些，他们的流变性是可以用幂律模式来 描述的，幂律流体系指切应力和应变速度的关系满足幂律方程的流体，包括剪切 稀化和剪切稠化液体。现在油田中聚合物混合液、微乳液、表面活性济溶液以及 钻井工程的钻井液都符合幂律模式，幂律流体的管流规律，是油田上经常遇到的 问题之一。抽油机带动抽油杆在油管中上下往复运动时所形成的环形空间；地面 驱动采油有杆螺杆泵旋转，抽油杆与油管所形成的环形空间：油水管道流动中同 心和偏心环状流；垂直井和水平井中钻杆和套管环形空间，根据不同石油工艺的 要求，非牛顿流体在环形空间中的轴向层流过流断面分为同心环空断面和偏心环 空断面两种情形。井中钻柱或套管的轴线与井眼轴线重合时的环形空间为同心环 空，不重合时为偏心环空。钻井液或完井液在固井环空中的上返流动，往往按同 心环空轴向层流来处理。非牛顿流体在环形空间的轴向层流的流动特性对于防止 抽油杆偏磨、钻进速度和固井质量有着不可忽略的作用，所以研究幂律流体在环 空管道内的流动很有必要1 3 1 1 5 。近年来，许多研究人员对幂律流体在环空中稳定 层流进行了大量研究，得出一些对生产实际有重要价值的结论f 】【2 1 。对于紊流规 律的研究，在石油工业以及其它许多行业中也都具有非常重要的意义。许多学者 从不同的角度探索研究非牛顿流体紊流问题的方法，解决了很多问题【4 1 1 6 i 。不论 是研究层流还是紊流，大都是集中在理论研究阶段，这是因为非牛顿流体的粘度 往往较大，流动规律比较复杂，在环空管道中的流动属于周期性的不稳定流动， 到目前还无精确的处理方法。致使我们对这些复杂流动现象的捕捉和流动机理及 规律的研究还很不够，其中主要原因之一是缺乏理想的显示和测量复杂流动的手 段。我们需要有一种可视化的仪器能够把流体的运动情况直观清楚的显示出来， 对整体流动情况还没有影响。随着计算机技术、近代光学、激光技术、电子技术、 数字信息处理技术等高新技术的成就，能够达到这种要求的仪器已经出现。我们 所用的粒子成像测速技术p w ( p a r t i c l e l m a g e v e l o c i m e t r y ) 就是其中的一种。由 于p i v 技术具有可进行全流场测试、直观、不干扰流场等优点，所以就成为进行 各种流场流动规律研究的有力工具。掌握这种先进的流场测量技术，是我们深入 研究流体流动规律的需要。因为p 技术本身具有的特点和幂律流体环空内部流 场的一些特点，所以可利用p i v 技术来对环空内部的流场进行研究。本论文主要 利用p i v 技术对幂律流体环空的内部定常流场进行试验研究。 非牛顿流体环空流动问题之所以引起人们的兴趣，其原因之一是，这种流动 在工程实际中常常遇到。 第一章绪论 分析这种流动的速度分布和流动状态，探讨流体在内管壁上的压力分布，对 于确定输油管线的壁厚，降低工程投资：防止抽油杆的偏磨，合理设计抽油机的 工作参数；以及建立钻井和固井的合理工作制度无疑是非常重要的。 这种流动引起人们的兴趣的原因之二是，开展对于这种流动的研究，可以丰 富非牛顿流体力学的理论宝库。 非牛顿流体力学是近几十年才兴起的流体力学的一个新分支。早在四，五十 年代，人们就己经对非牛顿流体在圆管和环空中的p o i s e u i l l e 流和c o u e a e 流做了 大量的理论分析和计算。上述研究结果，己成为非牛顿流体力学理论的重要组成 部分。我们相信，进一步开展非牛顿流体环空轴向流的研究，会更加丰富非牛顿 流体力学的理论宝库。 综上所述，开展对非牛顿流体在环空中流动的研究，不仅具有实际的工程意 义，而且具有普遍的理论意义。尤其是采用先进的可视化仪器p i v 后可对环空管 道中的流动规律有更加深入的了解，可为石油工业矿场设计，尤其是油气集输与 水平井钻井工程与开发提供水力设计的科学依据。 1 2 非牛顿流体及其轴向流动 1 2 1 纯粘无弹非牛顿流体 与牛顿流体不一样，对于所有的非牛顿流体没有一个单一的本构方程。因为 非牛顿流体类型繁多，特性各异，不能指望用一个本构方程就能描述它们全体。 为方便起见，我们可把非牛顿流体分为依赖于时问的流体和不依赖于时间的流体 两类，也可以把非牛顿流体分为有弹性的流体和无弹性的流体两类。本文仅讨论 不依赖于时间的纯粘无弹非牛顿流体。 图( 1 1 ) 是众所周知的流变曲线图，图中的曲线表示流体在简单剪切流动中剪 切应力和剪切速率之间的关系。曲线a 表示n e w t o n 流体，其剪切应力是剪切速 率的线性函数。曲线b 和c 所表示的流体具有f 户不是常量，而是户的函数的特 性，可将它们之间的关系写做： f = r ( ，) ， ( 1 - 1 ) 在曲线b 中，叩( 户) 是随户的增大而减小，我们称这种流体为剪切稀释流体或 假塑性流体而在曲线c 中，叩( 户) 是随户的增大而增大的，我们称这种流体为剪 切增稠流体或胀流性流体。曲线d 表示b i n g h a r n 流体，这种流体具有屈服应力， 只要剪切应力f 小于临界值f o ，它就不会流动，而当f 大于f o 后，它就象 n e w t o n 流体那样流动。因此这类流体的f 与户之间的关系可写为： 户= 0 hs f 0 f = - t - o + r ph f o ( 1 - 2 ) 2 上式也可变形为 图1 1 流变曲线 丁 f i g 1 1f l o wc u r v e 尹= 0 h s f 2 气十r ph f o 叩( 矿) = 昔+ r ， ( 1 - 3 ) 我们注意到，在方程( 1 一1 ) 和方程( 1 3 ) 中，假定f 仅依赖于户，而不依赖于y 的 更高阶导数，而那些用方程( 1 1 ) 可描述其流变性的流体常被称为广义牛顿流体。 广义牛顿流体是不依赖于时间的无弹纯粘非牛顿流体。 现将描述剪切流动的方程( 卜1 ) 和方程( 1 3 ) 推广到一般流动情形。用应变率张 量d 或阶r i v l i n e r i c k s e n 张量a i 代替式中的户，为方便起见，常取a 。代替式 中的户，用俯应力张量丁代替式中的如这样；偏应力张量丁便是a 的函数，而标 量刁就成为a ，的不变量的函数。因为流体是不可压缩的，所以a 。的第一不变量 t r a 。= 0 ；又由于在简单剪切流动中，a ，的第三不变量d e t a 。= o 因此，我们取叩为 a 、的第二不变量，2 的函数。并且，2 由下式表示： 1 ，f ( 去t r a ；) m ( 1 ，4 ) z j r 2 是这样选取的，在简单剪切流动中 ，f 尹( 1 5 ) 这样，方程( 1 一1 ) 和方程( 1 2 ) 推广为 仁吁( 1 2 ) a l( 1 - 6 ) 方程( ( 1 - 6 ) f 1 1 为广义牛顿流体的本构方程，其中的r ( j r 2 ) 称为视粘度。 对于不同的非牛顿流体，r ( 1 2 ) 有不同的形式，本文所研究的是在石油 工业中常见的非牛顿流体一幂律流体，其粘度函数r ( j r 2 ) 具体形式如下： 叩( 1 2 ) = k ( 1 2 ) ”1( 1 - 7 ) 1 2 2 环空中幂律流体的轴向流的流动状态 和其它流体一样，幂律流体在环空管道中的轴向流动也有层漉和紊流之分。 3 第一章绪论 在层流轴向流中，流体的层与层之间做相对滑动运动，而在宏观上并不掺混。流 体的质点只沿环空轴线运动。在紊流轴向流中，流体互相滑动的液层互相掺混， 流体质点的运动轨迹是不规则的，但总的运动，依然是沿环空轴线运动。 1 2 3 环空管道中幂律流体的轴向层流 非牛顿流体的粘度往往较大，流动中的雷诺数较小，因此圆管和环形空间中 幂律流体层流的讨论在工程上有实用意义。同时层流理论又是流变测量的理论基 础【9 l 。许多学者专门对幂律流体在环空管道中管道规律与特点进行研究，如穆尔 ( m o o r e ) l t i 、沃克( w a l k e r ) 1 1 2 及国内石油大学的刘希圣【1 3 l 、大庆石油学院陈 家琅1 1 】【1 5 】 t 6 i 等所做的工作，目前已经初步形成环空水力学这一新兴分支。流体 在环形空间中的轴向层流过流断面分为同心环空断面和偏心环空断面两种情形。 井中钻柱或套管的轴线与井眼轴线重合时的环形空间为同心环空，不重合时为偏 心环空，环空的理想断面如图1 2 所示。 _ _ _ _ p乍 _ l _ 图1 - 2 环空的理想断面形状 f i g 1 2i d e a l i z e ds e c t i o n a ls h a p eo f a n n u l u s 当非牛顿流体分别处于两个同心及偏心的圆管( 其半径分别为r 。和r 2 r ， r 。如图卜3 所示) 其轴线相互平行构成的环形空间中，半径为r ：r 的内外管静止， 有一个平行于环形空间轴线的压力梯度f 作用于流体上，流体发生轴向流动。在 轴向流动中，流体质点的运动轨迹是一条平行于环形空间的直线，层流速度分布 均匀对称。当非牛顿流体处于两个偏心的圆管中，偏心度e = e ( r 。一r z ) ，环空 两侧的速度分布是不均匀的。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图1 3 同心环空示意图 f i g 1 3s k e t c ho f a n n u l u s 1 3 研究现状及应用概况 图卜4 偏心环空示意图 f i g 1 4s k e t c ho f e c c n t r i ca n n u l 由于环空管道内的流场情况较复杂，其流体为幂律流体时，本构方程为非线 性，使得这一问题的研究十分困难。研究也主要集中在理论方面，通过实验来研 究环环空流场的分布资料很少见，尤其是用激光粒子测速仪来进行研究环空管道 内流场情况就更少见 美国桑迪安国家实验室用p d c 研究研究钻井液在井底的流动【，将染色液 注入实验钻头的任一选定的喷嘴，通过相机拍摄染色液的流动状态拍成照片。西 南石汕学院用贴现法研究井筒中空问流场中液流的分离、汇合等现象及规律【7 ”。 美国桑迎安国家实验室用颗粒轨迹法研究钻井液在井底的流动1 7 “。示踪法是用放 射性同位素测量岩屑在井底流场中的分枷，从而揭示井底流场的特性i l 。石油大 学的汪海阁用超声波装置测量环空岩屑的运移能力【7 3 1 。李兆敏等人用l d v 测量 粘弹性对流体非定常规律的影响 。因为，在现场工作中并不能常常需要内外管 同心，有时人为的将井眼钻成倾斜的，这时内外管就处于偏心状态，因此，对偏 心的研究也一直是众多学者所热衷中。但由于偏心情况就更复杂，研究仍然是处 于理论层面。早期的许多学者尝试采用近似求解法【3 5 】。 3 6 l ，尤其是用变高槽流及 变外径不变内径的同心环空代替偏心环空所做的计算3 4 】，被大多数人所接受。 随着各种理论及技术的进步，研究手段也不断改进，因此偏心环空的理论也 不断的在改进。w i l s o n l 2 6 l 利用一个特定的坐标变换，对偏心环空p o i s e u i l l e 流做 了分析，并得出了这种流动的速度分布。b a l l a l 和r i v l i n l 2 研究了不可压非牛顿 流体在定常的轴向压力梯度作用下在偏心环空中流动的情况，z i d a n 和h a s s a n l 2 副 研究了种二阶流体在偏心环空中的速度场的分布规律，结果发现二阶速度部分 是由轴向和平面运动相互作用的结果，当只有一种运动作用时，速度场分布和 n a v i e r - s t o k e s 流体的相一致。 国内许多学者也在理论方面很多创新，杨树人、申家年和张景富【2 2 j 利用控制 体法对幂律流体片心环空轴向层流流动的基本方程进行了离散化处理，并用a d i 方法进行了求解。 第一章绪论 崔海青和张海桥【2 9 】对石油工业中常用的h e r s e h e l b u e k l e y 流体的环空螺旋流 做了解析求解。 汪海阁等人【3 0 1 以幂律流体为例计算了下套管作业时所产生的激动压力梯度 和偏心环空速度分布，对偏心度对波动压力及偏心环空宽，窄间隙内速度分布的 影响也进行了研究。 李兆敏等人【3 2 1 对宾汉流体在环空中流动时的速度分布规律进行了研究，利用 因次分析方法，推了宾汉流体在环空中作层流运动时的速度分布规律，并且讨论 了屈服应力和压力梯度等参数对宾汉流体环空层流速度分布剖面的影响。 贺成才【”1 对幂律流体在偏心环空中流动的数值模拟进行了研究，对现有的数 值计算方法的不足进行了改进。 1 4 应用p l v 技术研究环空管道内的流场 应用p i v 测量环空管道内的流场有如下优点： 1 管道内部流场的复杂性需要使用p i v 技术 环空管道内来流的复杂性，来流方向和出口方向往往不在同一方向，所以管 道内流动一般是有旋、非定常的流动。而p i v 技术可以在不干扰流场的情况下， 定量地完成流场的动态测试，具有测量精度高、空间分辨率高、动态响应快等特 点。所以这种技术很适宜用来测量此流场。 2 p i v 技术测量方便 一般测试管道内的流场时总是做管道的馍型，此模型采用玻璃或者有机玻 璃等透明材料制成，这样可以便于从外部观察到 = | 部n 0 流场，也就能进行p i v 的 测量。 3 流速合适 模型试验中流动速度在0 1 l m s 之间，这样就能反映出实际的流动情况。 而p i v 设备中常用的y a g 激光器和c c d 相机的测量范围能覆盖这个速度范围。 4 液流的性质适合 管道中的液体是与水性质相似的聚丙烯酰胺溶液，我们很容易能找到与该溶 液密度相近的示踪粒子，这种粒子由北京立方天地公司提供，而目从使用该种粒 子的试验的效果来看，是合适的。 1 5 本文主要研究内容 目前p i v 作为一种可靠的流场整体测量技术，己获得人们的普遍接受。但将 p i v 运用于研究幂律流体环空管道中的流动情况目前还很少见。本文的实验也是 一个尝试，拟作以下工作： ( 1 )本文主要通过对由p i v 所获得的图像处理结果进行分析，研究幂律 流体环空管道内流场情况、流动形态、速度分布。也与牛顿流体和非牛顿流体在 偏心环空管道内的流场情况进行了比较，并与数值计算结果进行简单比较分析。 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 本文将该方法作为一种新的尝试，为环空管道内的其它流体流场情况进一步深入 研究提供良好的借鉴。因此设计了一套幂律流体环空流动的试验装置。 ( 2 ) 通过p w 系统分别测出不同浓度、不同脉冲间隔时间幂律流体环空流 动时的粒子图像，并对流场进行可视化分析，由p 软件进行处理图像，获得流 体的流场分布情况。 ( 3 ) 把经过处理以后的数据导入到t e c p l o t 中进行提取，得到速度矢量 图、速度云图、流线图等。 ( 4 ) 通过实验结果与已有的理论结果的情况进行比较，分析其中的差异。 ( 5 ) 最后对本试验进行总结，对今后工作的进一步开展提出了一些建议。 7 第二章对幂律流体环空流动的p 测量 第二章对幂律流体环空流动的p i v 测量 在流体力学中，有许多疑难问题( 如湍流、涡流及复杂流动等) 至今了解甚少， 而许多工程应用的需要又十分迫切( 如复杂的内部管道流动、两相流( 多相流) 、飞 行器的机动飞行、发动机燃烧室内的多相流等1 ，这些因素使得流场测试技术显 得极为重要和复杂。从某种意义上说，流体力学中的许多疑难问题的突破取决于 现代流场测试技术的发展【3 ”。 非牛顿流体力学作为流体力学的一门分支，有许多流动规律还有待于我们去 发现、研究。许多学者就专门对幂律流体在环空管道中管道规律与特点进行研究， 目前已经初步形成环空水力学这一新兴分支，一些文献已经讨论了环空轴向层流 的问题，但是大部分科学工作者所做的工作也都是集中在数值分析、数字模拟方 面。虽然数值计算有其独特的魅力，但实验测量却是数值计算不可缺少的校核工 具。而p i v 即粒子图像测速技术就是进行流体实验测量的一种较好手段之一， 是一种典型的用来测量流场状态的流场可视技术。在论文中采用的粒子图像测速 技术是随着快速发展的图像处理技术而发展起来的全流场速度测试技术。p f v 技 术的假设一直存在了很长的时问，但是直到需求的技术满足了p i v 的要求，p i v 技术才应用到实践中去测量流体的速度。p i v 技术对认t 5 复杂流动像湍流、非定 常流等提供了有效的测量手段。近几十年来，p i v 技术受到国内外的广泛重视， 它有力地推动了力学、光学、声学等领域内科学研究的进展。 2 1图像测速技术 2 1 1 技术背景 粒子图像测速技术是随计算机技术、计算机接口技术、光纤技术、激光技术、 计算机图像处理和高速摄影技术的发展【4 9 】，于上世纪8 0 年代初逐渐发展起来的 一种崭新的速度测量技术。p i v 技术的产生有着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、内燃机、垂直起飞飞机和直升飞 机水平翼运动表面附近流动状况，自然对流，火箭发射，尾部流场，火炮发射口 等都是典型的瞬态流场。对于已有的经典测量技术来说，精度高的单点测量技术 难以获得流场的瞬态图像，而能获得流动瞬态图像的流动显示又很难获得精确的 定量结果。于是人们想到了多点测量技术，但现有的多点的测量技术不是干扰或 破坏了流场，就是成本太高，而且要获得整个细致的流动图像也很费事，更主要 的是难以满足瞬态流场测试的需要。其次是了解流动空间结构的需要，通常只有 在同一时刻记录下整个信息场是才能看到空间结构。比如在高湍流流动中，采用 整体平均的数据不实际，当前的流场测试技术己经取得了很大的发展【3 u ”。通常 在水动力实验、空气动力实验中所采用的流速测量仪器或方法主要有以下几种： 热线热膜流速计哪a ) 【3 9 ，4 4 1 。超声波多普勒测速仪( a d v ) t 4 5 1 、激光多普勒测速 大庆石油学院预士研究生学位论文 法( u ) v ) 1 4 6 1 、激光散斑全场测速技术( l s v ) 4 7 1 ，粒子跟踪测速技术( p t v ) 【舶】及本 文所要研究的粒子图像测速技术( p ) 等。 。 p i v 技术是图像测速技术的一种，也是近年来发展比较快的测速技术。p i v 技术目前已在湍流、分离涡和喷流的初步应用中取得重要成果。在某些试验中， 其空间分辨率已接近粘性尺度( 低r e 下，2 0 0 0 左右) ，在r e = 7 0 0 0 的槽流中测 得的主要湍流数据，如速度、湍流强度、波数谱、雷诺应力、均方根速度值、总 剪切应力、高阶量( s 因子，f 因子) ，均与热线风速仪、l d v 和直接数值模拟 d n s 作了比较，相当一致，结果表明p i v 可以取得可靠的数据。 此外，p i v 技术不仅用在水流的低速流动中，而目也已初步应用于跨声速风 洞等试验中。下文主要介绍一下测速技术原理和发展等。 2 1 2 图像测速技术原理 图像测速是利用胶片或录相带记录反映流速性质的图像，依靠图像处理、分 析等多种手段获得流速分布的一种技术。其测速的基本原理是在流体中散播标记 物质( 粒子、气泡或分子标记物) ，只要能准确测定标记物质的位移s 和相应的 时间a t ，就可以获得流场速度： v ：三( 2 1 ) a t 图像测速技术应用于流体遮度的测量，具有如下优点：因为接收的至少足 二维信息，所以能够进行多点同时量测，迅速得到二维或三维速度场的分布这 对于非恒定流的测量十分重要：图像测速方法是非接触式测觅，不二i 二扰流场： 将图像测速方法与其他到像方法棚结合，还可以得到业多的流场信息，姚与 利用热敏液晶粒子测量流体温度场的方法( l i q u i dc r y s t a lm e l h o d ) 相结合，就可以 同时得到流体的速度场和温度场。 图像测速技术是在流动显示的基础上发展起来的。流动显示技术至今已有一 百多年的历史，它能够提供直观、瞬时、全场的流动信息，因而成为试验流体力 学发展中一个长盛不衰的课题。过去的流动显示技术主要以定性为主，进入八十 年代以后，随着电子技术，图像处理方法和信号分析理论的迅猛发展，定量流动 显示技术也得到了飞速发展，图像测速技术便是一例。新的方法不断出现，已有 的方法也不断得到改善。前面我们已经简单介绍了几种测速方法，下面，重点从 原理、测速方法等方面进行对比分析。 1 、p t v f 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 ) p t v 常称迹线法，是图像测速技术中最早开始研究，并取得成功的一种方 法。早在七十年代初，就已有研究者通过跟踪微小粒子在流体中运动的轨迹，来 获得流体的速度。进入八十年代以后，p t v 方法得到了不断地发展和完善。目 前，p t v 方法有单帧( s i n g l e f r a m e ) 和多帧( m u l t i f r a m e ) 两种方式，每种方式的 曝光形式包括单脉冲( s i n g l e p u l s e ) 曝光和多脉冲( m u l t i - p u l s e ) 曝光。 总的来说，p t v 方法能够得到的速度信息较少( 因为粒子浓度不能太大) ，测 9 第二章对幂律流体环空流动的p i v 测量 速精度不高( 一般在1 0 左右) 。但是这种方法简单、直观，通过选择合适的粒子 浓度，粒子直径以及算法，还是可以提高其测速精度的。另外，在三维速度测量 中，目前只有p t v 方法一种。 2 、传统的p 和l s v l s v 就是上面所谈到的激光散斑全场测速技术即l a s e rs p e c k l ev e l o c i m e t r y ， 二者的基本原理前面已谈到是一样的。所谓传统的p i v 和l s v ，是指在p i v 和 l s v 技术中，主要采用光学方法来获取流速信息。也有人称之为光学p i v 和l s v 方法，二者都是在单帧底片上获得示踪粒子的两次曝光图像，然后对底片利用杨 氏条纹法进行判断，从而获取一维流速场信息。也有研究者用全场空间滤波法【5 ”， 但效果并不好。p a l e r o 曾提出一种改进的全场空间滤波法【5 “，但人们最常用的还 是杨氏条纹法。 p i v 和l s v 的区别在于粒子浓度的不同。当粒子浓度较低，可以观察到单 个粒子图像时，分析粒子运动而获得流速的方法称为p i v ；当粒子浓度较高，粒 子图像在像平面上相互重叠，形成散斑( s p e c k l e ) ，这时分析粒子运动而获得流速 的方法称为l s v 。两种方法相比，l s v 获得的流速数据足够多，而p i v 在获得 流速数据之后，往往还需要进行插值。 杨氏条纹法判读底片时利用一直径很细的激光诊问光束( i n t e r o g a t i o nb e a m ) 照射底片，由于诊问光束内的粒子群在两次曝光时间问隔内产生的位移近似相 等，所以激光光束经过底片和变换透镜j 孟，可礼：视i r 而卜获得f f i i l i j 讯0 杨氏t 涉条 纹。 这些条纹f | _ l 取向与粒子的似移垂直 a = 茜 条纹问距d 与似移火小x 成反比： ( 2 2 ) 其中，l 为底片到视平面的距离， 为诊问光束的波长。 p 1 v 和l s v 方法的关键是获得清晰的杨氏条纹图像并测出条纹的问距。为 了改善杨氏条纹图像的质量，提高测量精度，1 w a t a 采用了两次以上的多次曝光 技术【5 ”。p i c k i n g 用颗粒度较小的胶片对得到的底片进行一次反转拷贝，然后对 拷贝底片进行杨氏条纹处理，也获得了比较好的效果【5 6 1 。只是p i c k i n g 的方法只 有当示踪粒子图像在底片内所占而积小于一半时才适用。杨氏条纹间距的测量大 都是通过一些图像处理的方法或自相关方法来获得。通常是用摄像机将杨氏条纹 图像输入到图像处理系统内，由计算机来完成条纹间距和方向的测量。c e n e d e s e 在对照相底片进行判读时，直接对粒子图像进行傅里叶交换，用一维自相关的方 法获得粒子位移【57 1 。为了与数字p i v 和l s v 方法相区别，光学p i v 和l s v 可简 称为c p i v 和c l s v 方法。 利用杨氏条纹法获得的速度方向具有二义性，为了确定速度方向，可采用图 像漂移技术( i m a g es h i f t i n g t e c h n i q u e ) 。在两次曝光之间通过某种装置加入一个已 知值的位移，使得由粒子图像获得的位移等于图像漂移位移与粒子实际位移的 和。这样，根据由粒子图像获得的位移与图像漂移位移的差的正负就可以得知粒 子的实际运动方向，图像漂移技术在实际应用中有不同的方法，如：旋转棱镜法 大庆石油学院硕士研究生学位论文 【5 8 l ，晶体偏振光折射法1 5 9 】等。 与p t v 方法相比，c p 和c l s v 方法获得的流速信息量大在3 5 m i n x 3 5 m m 的胶片上，可以获得数千，甚至上万个点的流速。而目，测速精度高，其测速精 度可与l d v ( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t r y ) 和h w f a ( h o tw i r e f i l ma n e m o m e t r y ) 方 法的测量结果相媲美。但是，c p i v 和c l s v 方法需要一套光学诊问系统，如果 加上图像漂移技术，整个试验系统将十分复杂，而目，整个诊问过程需要耗费大 量的时间。以o 5 m m 0 5 m m 大小的诊断区处理一张3 5 m m 3 5 r a m 的胶片需要 2 5 天。p r a s a d 等人提出了一种快速处理算法，同样可将处理时问缩短到几个小 时。但是，这些方法都是以牺牲一定的测量精度为代价【6 2 】。 3 、d p 和d l s v d p i v ( d i g i t a lp i v ) d l s v ( d 蟛t a ll s v ) 分别是c p i v 和c l s v 的数字化方法。 数字化方法的处理对像是一系列随时间变化的数字化图像，对于这些序列图像的 处理方法主要有傅里叶变换法和互相关方法。 傅里叶变换法是c h o 提出的【6 。这种方法将小同时刻的多帧图像叠加在一 帧图像上，对叠加后的图像进行傅里叶变换，获得条纹图像，然后用条纹函数 ( f r i n g e f u n c t i o n ) 来检测，从而获得速度的大小和方向。 互相关方法的研究和应用比较多。其基本原理那是对连续的两帧图像。在4 7 口 应的位置丌检测窗口，计算并检测两个窗口互相关函数的峰篮，浚峰值的位置4 u x 0 了：j ! 个固定j i ( 直检1 4 t f l1 f 1 0 ，1 ，心正i ) n o f 移 1 l i j ，i f | j j j 丁j 0 e is , j ；i 了 i 均伉移和方向。k i m u r a 前先“i 数学卜瓦相关函数的定义“ 发提了一种丌1 | | 关函数的计算方法【6 ” 图2 - 1 互相关计算示意图 f i g 2 - lc o m p u t a t i o ns k e t c ho f c r o s sc o r r e l a t i o n 中( 埘，帕= ( 2 3 ) 第二章对幂律流体环空流动的p i v 测量 其中，o 表示互相关函数，f 【m ，n ) ，g ( m ，n ) 分别代表t + a t 时刻的检测窗 口，也有的称为判读区窗口或诊断窗口，用式( 2 3 ) 计算互相关函数运算量巨大。 w i l l e r t 利用快速傅里叶变换，提出了一种新的算法计算互相关函数【6 3 1 ，使运算 量大大降低。这两种方法和前而介绍的傅里叶变换法都假定t 时刻粒子的速度 不变，并且在检测窗口内粒子的速度梯度很小，足以忽略。当粒子的速度梯度很 小时，这一假定没有任何问题，当流体运动的变化非常剧烈时，这一假定就不能 成立。为了克服这一局限性，有一些研究者又提出了改进的互相关方法，如：董 守平提出的拓扑图论法畔1 ，h u a n g 提出的迭代法 6 5 - 6 6 1 ，t o k u m a r u 利用位移场的 泰勒展开式，并结合流体的运动方程推出了另外一种新的方法【67 1 等等。但是，这 些改进的方法在原理和运算上都十分复杂。 与光学方法相比，数字化方法的最大优点是：可同时获得速度的大小和方 向；不需要复杂的光学处理设各，处理速度大大提高；可实现现场处理和实 时处理。不足之处在于数字化方法的测速精度不高，通常和p t v 的精度是一个 量级，如果采用高精度摄像机，可望提高测速精度。另外，c c d 摄像机的摄像 机速度通常为1 2 5 秒或1 3 0 秒，这限制了数字化方法只能测低速流体。有些研 究者提出了一种场间相关的方法【68 6 9 】，可使所测流速提高一倍。不过，根本解 决办法还是采用高速摄像机。 4 、l d v 和p d a l d v ( l a s c r d o p p l c l v e l o c i n l c t r y ) 足利用测觅i 氚f 1 ， z t 爿：测量流体介质 的速度的。这也是一种非接划! 式的甲r _ 洲逆，一舭 i 况下可略女j 啦光n 0 热效应 因而一般情况下不存在对流场的干扰问颗。l d v 的空问分辨率很高，目前最高 已达1 0 m m ，可测直径已达l o u m 。其测迷范山很j 一、低速叫测量精度比热线高 很多。但高速时粒子跟随性较差并且难以提供足够的散射光强和足够的微粒浓 度。 l d v 测量的速度的可靠性和准确度很大程度上山所代表流体的准确性来决 定，或者换句话说，流体中的跟随粒子的跟随性对流动测量的精度具有很大的影 响。基于这种原因，当l d v 应用于多相流及相关流动的测量时，由于粒子跟随 性所带来的问题便给l d v 的应用带来极大的限制：同时，多相流的连续相和离 散相的速度分离测量对l d v 技术来讲也是难以完成的。为了解决l d v 的限制， 很多人进行了努力，直到1 9 8 2 才被w d b a c h a l o 和m i k e h o u s e r 成功地运用于实 际测量。经过十多年的发展和演化，激光多普勒技术已成为测量喷雾粒子及其他 球形粒子的大小和速度特性公认的标准方法。测量粒子大小要求测量散射光在接 收平面上形成的干涉条纹的间距。以前由c r a n e 提出的概念来测量移动的干涉条 纹间距，这种测量方法使得对粒子粒径大小的响应呈线性，并使得测量对光学参 数的依赖最小化。b a c h a l o 也证实了这种方法。b a c h a l o 和h o u s e r 以这种方法为 基础研制了一种商用产品p d a ( p h a s c d o p p l e r a n e m o m e t r y ) ，并第一个利用这 个仪器进行了对喷雾流动的测量。这种仪器从诞生至今已进行了大量的改进和革 新。在早期发展阶段，仪器在静态环境下用分散的单粒子流或射流进行检测。在 1 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 其基本方法被证明正确后，它就被扩大应用到高湍流度的喷雾流动的测量中。这 种同时测量粒径和速度的能力就为在相位离散条件下，测量相位连续的湍流提供 了可能。 5 、总结 虽然上述这些技术都能进行粒子图像的采集，但是，p i v 的技术优势确是上 述这些方法所无法比拟的。比如在高湍流流动中，采用整体平均的数据不适合于 保持流动中不断改变的空间结构。只有通过诸如p 技术才有可能获得流动中的 小尺度结构的逼真的图像。再比如狭窄流场，其流动本身是稳定的，但流场狭小， l d v 的分光束难以相交成可测状态，而h w f a 又会破坏流场的状态，这时候就 可以使用p i v 技术。 p i v 技术的产生有两个技术基础，一个是图像处理技术的发展和阵列式计算 机的产生给处理图像提供了现实可能。这是技术发展的大局决定的，它使流场显 示所获得的定性图像推向定量化，可以说，粒子图像测试技术中的多数方法都是 经典的流动显示技术的自然延伸和扩大。 另外一个技术基础是激光散斑测速技术，这个技术来源于固体力学。 2 1 3p i v 原理 p i v 是一种瞬态流场测量技术，其基本原理h 叫在流场巾散捕一些适当的示踪 粒子，剧脉冲激光片岁6 ( l i g h ts 1 1 e e c ) 删 ：所测流场n 0 剀i 蔓域，娅1 过成像i l 求；景统 摄般阳次或者多次雌光的粒予幽像，形成p i v 实验图像，附利川剖像洲i 天力7 ： 分析p i v 图像，获得流场一个切面讷定量的速度分m j 。进一步处理可得到流场涡 量、流线以及等速线等流场特性参数分布。 y va7 = 1 i m 等2 l i m 竺a t ( 2 4 ) 2 斗 2 i 脚_ + 0 一 从公式( 2 - 4 ) 中可看出，测速的原理基于基本流体速度测量，要在已知的 时间间隔t 内，跟随流体运动的示踪粒子被由脉冲激光器发出，经过透镜组作 用的片光照射将粒子的瞬间位置记录在c c d 芯片上。知道t 1 和t 2 两个时刻同一 颗粒微团的位移变化，从记录所得的图像中，根据( 2 4 ) 就可获得该粒子速度 的大小和方向。 第二章对幂律流体环空流动的p i v 测量 2 2p l v 关键技术环节 图2 - 2 p i v 原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l em a po f p i v p i v 系统通常有三部分组成，每一部分都要有相当严格的要求。一是直接反 映流场流动的示踪粒子要满足一般要求( 无毒无害，无腐蚀，化学性质稳定等) 外， 还要求满足流动跟随性和散光性等要求。要使粒子的流动跟随| 生好，就需要粒子 的直径小，而这又会使粒予的敞光性降低，不利丁成像。1 7 1 此乍选i k l ：i 了的寸惯 要综合考虑各力而因鬃，总的选l 队此j 址：粒了密发婴尽l j 能j i 俐 、崭度曹： 保证成像的情抛r ，书, z - j 二血径盐j s 址0 小，表2 1 址p i v 丈! 书川l m j ：_ i ：札j ： 利r 类。 表2 一l 流体场中常用的示踪粒子 t a b l e2 - 1g e n e l a lu s i n gp a r t i c l ei nf l o wf i e l d 类型物质平均直径( l 帅) 聚苯乙烯 l o 一1 0 0 铝粉2 7 固体 玻璃球 1 0 1 0 0 合成棉颗粒 1 0 5 0 0