（油气储运工程专业论文）幂律流体偏心环空螺旋流紊流的piv实验研究.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eh e l i c a lt u r b u l e n tf l o w o fp o w e rl a wf l u i di ne c c e n t r i ca n n u l u sw i t hp i vt e c h n o l o g y a b s t r a c t i no i li n d u s t r y , t h eh e l i c a lf l o wo fp o w e rl a wf l u i di ne c c e n t r i ca n n u l u si s e x t r e m e l yc o m m e n t u r b u l e n tf l o wi so n eo f t h em o s tc o m m o nf l o wc o n d i t i o n s g e n e r a l l y , i no i lw e l ld r i l l i n g t h ef l o wo f d r i l l f l u i di nd r i l lp i p ea n dd r i l lc o l l a ri st u r b u l e n tf l o w , f o rt h ef l o wo fd r i l lf l u i di na n n u l u s ，s o m e t i m e si ti s l a m i n a rf l o wa n ds o m e t i m e si ti st u r b u l e n tf l o w w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt h er e q u e s to f p r o j e c t a p p l i c a t i o n ，i tg r e a t l ya c c e l e r a t e dt h ep r o g r e s s o ft u r b u l e n tr e s e a r c h ，b u tt u r b u l e n tf l o wi t s e l fi sa n e x t r e m e l yc o m p l e xf l o wc o n d i t i o nw i t hs t r o n gr a n d o m n e s s c o n s p i r e d 、v i t l lt h en o n l i n e a ro fp o w e rl a w p a r c e m ，t h ea s y m m e t r yo fe c c e n t r i ca n n u l u s ，t h ec o m p l e x i t yo fh e l i c a lf l o wa n dt h el i m i t a t i o n so ff l o w f i e l d st e s t i n gt e c h n o l o g y , s of a r , n o b o d yh a sr e s e a r c h e dt h eh e l i c a lt u r b u l e n tf l o wo fp o w e rl a wf l u i di n e c c e n t r i ca n n u l u s ，s o m er e l e v a n tp r o j e c tp r o b l e m sa r es t i l lh a r dr e s o l v e d t h ea d v e n to fp i vt e c h n o l o g y p r o v i d e du sw i t l lm o r ee f f i c i e n tm e a n sf o ru n d e r s t a n d i n gt h ei n n e rs i t u a t i o no f f l o wf i e l dt h o r o u g h l y , s ot h i s p a p e rd e v e l o p e de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eh e l i c a lt u r b u l e n tf l o wo fp o w e rl a wf l u i di ne c c e n m ca n n u l u s w i t hp i vt e c h n o l o g y i nv i e wo ft h er e s e a r c hs u b j e c t ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e das e to fd e v i c eo fv e r t i c a la n n u l u sp i p e l i n et h a t t h ee c c e n t r i c i t yw a sa d j u s t a b l e t or e s e a r c hh e l i c a lt u r b u l e n tf l o wl a wo fp o w e rl a wf l u i di na n n u l u sl i n e p i ve x p e r i m e n t so f w a t e ra n dp o l y m e rw a t e rs o l u t i o nw e r ec a r r i e do u ts e p a r a t e l y , o b t a i n e dv e l o c i t yv e c t o r ， f l o w l i n e ，v e l o c i t yc o n t o u ra n ds i t u a t i o no fa x i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni na n n u l u sw h e ni n n e rt u b ei s m o t i o n l e s sa n dc i c l i n g e s t a b l i s h e dan e wd i s c r i m i n a n tm e t h o do ff l o wp a n e m b yv e l o c i t yc o n t o u r s ， a n da n a l y s e da f f e c t i n gf a c t o r sa n da f f e c t i n gl a w so fa x i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，p r e s s u r eg r a d i e n ta n df l o w c o n d i t i o n ，d i s c o v e r e df e a t u r e sa n do c c u r i n gp r o c e s so fh e l i c a lt u r b u l e n tf l o wo fp o w e rl a wf l u i di n e c c e n t r i ca n n u l u sf r o mv e l o c i t yc o n t o u r s t h i sp a p e rp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo f p wt e c h n o l o g yf o rt h er e s e a r c ho f h e l i c a lt u r b u l e n tf l o wo f p o w e r l a wf l u i di ne c c e n t r i ca n n u l u s ，t h ev i e wi sp r o p o s e di n n o v a t e l y , s u p p l i e dt h i n k i n gf o re x p e r i m e n t a ls t u d yo f o t h e rf l u i d sf l o wl a w , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h i sp a p e rw i l lb eo fc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ot h e o r y r e s e a r c ha n df i e l da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：h e l i c a lf l o w ：t u r b u l e n tf l o w ；p i vt e c h n o l o g y ；e c c e n t r i ca n n u l u s ；p o w e rl a wf l u i d ：f l o wf i e l d v e l o c i t yc o n t o u r i l l 大庆石油学院硕士研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：季幽日期：丝2 ：至。丝 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被套阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。( 保密的学位论文在解密 后适用本规定) 学位论文作者签名：粼 日期。帅7 ；j 玉 导师签名 日期： p l 瓤坤 创新点摘要 创新点摘要 l 建立了一套可调偏心度的垂直环空管道装置，实验段外侧补加一个有机玻璃的方 盒子，内充与环空管道内相同的液体，以减少光的折射现象，进行光路补偿。 2 将p i v 技术应用于环空螺旋流流场的测试。 3 提出判别同心和偏心垂直环空内流体流动状态的新手段利用速度云图，方便 而且直观。 4 利用先进的流动显示技术和图像识别技术，通过p i v 实验发现垂直环空内幂律流 体螺旋流紊流速度分布规律。 5 利用先进的流动显示技术和图像处理软件，通过p i v 实验发现垂直环空内幂律流 体螺旋流素流的特点及其发生过程。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 本课题研究的背景和意义 文献综述 在油气开采中所涉及的流体，大多属于非牛顿流体，例如，原油、钻井液、水泥浆、 压裂液、聚合物溶液、多元复合驱油体系等。了解和研究这些流体的流变性，对于改善 油气田开采效果具有十分重要的意义。非牛顿流体类型繁多，特性各异，其中很多流体 的流变性符合幂律模式，这种流体简称为幂律流体。现在油田中的聚合物混合液、微乳 液、表面活性剂溶液以及钻井工程中的钻井液都属于幂律流体。在石油工业中，幂律流 体在偏心环形空间的螺旋流动极为普遍，比如在正常钻井过程中，环空中上返的钻井液 实际上是呈螺旋流运动方式，而不是轴向流，而在定向井、水平井钻进过程中，钻柱由 于自身重力的作用常常偏离井眼轴线，致使环空几何流道为偏心环空，而钻并液又常视 为幂律流体，钻井液紊流是最常见的流动状态之一。紊流是一种无论在时间上还是空间 上变化都很剧烈的随机运动。一百多年来，对它的研究沿着两条截然不同的路线进行。 一种采用统计方法，侧重研究紊流机理，称为紊流统计理论；另一种则引入各种不同的 半经验假设，侧重解决工程实际问题，称为紊流模式理论。无论哪种理论，都离不开实 验所提供有关紊流机理的定性和定量结果。因此，开展幂律流体偏心环空螺旋流紊流的 实验研究，具有工程实际意义【“”。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【3 4 i 。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【5 “】。但未曾有人研究过非牛顿流体 偏心环空螺旋流紊流流动规律，而对层流的研究，大多数只是集中在理论阶段，这是因 为非牛顿流体在环空管道中的流动属于周期性的不稳定流动，流动规律比较复杂，就连 流速这个最基本实验参数都不能在整个流场精确地实时测量，致使我们对复杂流动现象 的捕捉和流动机理及规律的研究还不够完整。从某种意义上说，流体力学中的许多疑难 闯题的突破取决于现代流场测试技术的发展1 7 j 。 目前，流场测试技术已经取得了很大的发蒯“”。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( h w f a ) 【9 一o 】、 超声波多普勒测速仪( a d v ) 【l “、激光多普勒测速法( l d v ) t 2 l 、激光散斑全场测速 技术( l s v ) 【”】、粒子跟踪测速技术( p t v ) t 1 4 】及本文所要研究的粒子图像测速技术( p i v ) 等。 h w f a 为流动测量特别是湍流测量起到了很大的作用，但其缺点是在应用时需要接 触或进入流场，对流场有较大的干扰性，而且只能对流场进行单点测量。a d v 和l d v 可以实现流场的无接触测量，但仍然只能对流场进行单点测量，不能对测量区域内的二 文献综述 维乃至三维流场进行全方位测量。当流场内部的流速变化对外部干扰敏感且在空间上变 化剧烈、需要测量流场的空间流速分布时，这些单点测量仪器就无法满足正常的测量要 求。计算机技术与图像处理技术的快速发展，使得流场测试技术得以迅速发展与提高。 l s v ，p 1 v 及p i v 技术就是在此背景下发展起来的，他们都属于粒子图像测速范畴， 需要在流场中散播一些示踪粒子，然后用计算机图像分析技术进行处理。l s v 和p t v 的缺点都是误差大，测量精度不高。p i v 技术【1 5 】是近3 0 年发展起来的非接触流场测量 技术，通过对流场图像的互相关分析获取流场运动信息，克服了接触式单点测量设备的 局限性，能够进行平面二维乃至三维流场的测试，而且具有极高的空间分辨率和很好的 精度，是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术，已经成功地应用在水动力实验、 空气动力实验的流场测量中，为科研人员深入了解流场内部的速度分布提供了有效的技 术手段。 目前，p i v 技术已经成为流场测试中的主流技术，本文应用该技术开展幂律流体在 偏心垂直环空管道中螺旋流紊流实验研究，有重要的理论意义和实用价值。 1 理论意义 ( 1 ) 填补应用p i v 技术测量非牛顿流体在环空管道中螺旋流动的空白： ( 2 ) 为幂律流体环空螺旋流紊流的理论提供实验依据。 2 实用价值 ( 1 ) 为石油工业水力参数设计提供参考； ( 2 ) 为以后的垂直环空螺旋流研究提供参考。 2 国内外非牛顿流体环空螺旋流的研究状况 美国桑迪安国家实验室曾先后用p d c j 6 】和颗粒轨迹法研究钻井液在井底的流动。 西南石油学院用贴现法研究井筒中空间流场中液流的分离、汇合等现象及规律。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。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，所以对偏心 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，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，被大多数人所接受【1 1 l 。 1 9 8 5 年z i d a n 和h a s s a n 用近似方法对粘弹性流体在偏心环空的流动做了研究。他 们的工作考虑到了直线剪切流，c o u e t t e 流，p o i s e u i l l e 流极其迭加时的情形，并给出了 这三种基本流动迭加后的速度场。但他们的研究结果是在环空内管转速及流体运动速度 趋零的条件下取得的，使得他们的研究结果的应用受到了很大的限制【”l 。 1 9 8 5 年华东石油学院钻井教研室对纯粘性流体环空螺旋流层流流场进行了理论分 析，得出了任意纯粘性流体螺旋流流场的速度及排量表达式【1 9 l ； 1 9 8 8 年郑应人从螺旋流的基本方程式出发，对非纯粘性螺旋流进行了理论分析，导 大庆石油学院硕士研究生学位论文 出了刚性流动出现的条件，并在粘度函数中引入了屈服因子，完成了宾汉液体螺旋流场 的数值计算，完善并发展了s a v i n s 的理论b 。 1 9 8 9 年石建新，刘希圣等人对宾汉流体螺旋流层流流场迸行了理论分析。导出了速 度分布、视粘度分布、分层雷诺数分布的表达式及压耗和排量的计算式，并用实验证实 了这些公式是正确的，可以作为钻井水力参数设计的依据】。 1 9 9 0 年崔海清和张海桥对h e r s c h e lb u e k l e y 流体环空螺旋流的流动规律进行了研 究，并从理论上给出了h e r s c h e lb u c k l e y 流体环空螺旋流的压降方程【2 “。 1 9 9 1 年张海桥在其同心环空螺旋流理论的基础上，通过对偏心环空螺旋流流场的无 限细分，理论上全面地研究了石油钻井液常用的幂律液体和宾汉液体在偏心环形空间中 层流螺旋流的流动规律与流动状态的判别f 2 引。在此基础上，于1 9 9 2 年又给出了偏心环 空层流螺旋流的流量和压降计算方法，且研究了一类带屈服应力的宾汉液体和一类不带 屈服应力的幂律液体在偏心环空中的层流螺旋流的流动规律阱】。 1 9 9 1 1 9 9 3 年刘希圣和崔海清用l u o p e d e n 方法分别对幂律流体和h e r s c h e l b u c k l e y 流体偏心环空螺旋流的流动规律做了理论分析，得出了这种流动的视粘度分布， 速度，流量和压降的近似计算公式【2 5 2 6 1 。 1 9 9 2 1 9 9 5 年李邦达、刘永建等比较深入地研究了幂律流体偏心环空螺旋流的流动 规律1 2 7 - 3 0 1 ，提出可用稳定性参数h 判别偏心环空中幂律流体螺旋流流动状态，同时探讨 了偏心环空中幂律流体层流螺旋流流场分布，提出了计算偏心环空中幂律流体层流螺旋 流流量及压降的新方法，分析了影响流量及压降的因素。同年张景富等人根据非牛顿流 体力学基本原理及定向井偏心环空的几何特点，对倾斜偏心环空中b i n g h a m 流体层流螺 旋流流场的流动特性进行了计算分析【圳，而且依据柱坐标系下流体质点运动方程，推得 了在倾斜的同心环空中幂律液体螺旋流层流流场的视粘度函数、速度函数及流动压降的 解析式。并引入当量间距的概念，给出了偏心环空中幂律液体螺旋流层流压降的计算公 式，最后讨论了偏心环空螺旋流流场中宽、窄问隙处的流速特征1 3 2 】。在分析幂律液体同 心环空螺旋流场特性的基础上，分析了球形岩屑颗粒在流场中的受力情况，给出了幂律 液体层流螺旋流视牛顿粘度的计算公式，推导了不同绕流状态下颗粒沉降、上升速度公 式，并给出了划分绕流状态新参数j 的表达式及分区值【3 孙。 1 9 9 4 年赵仁宝、崔海清等人根据非牛顿流体力学原理，对r o b e r t s o n s t i f f 流体环空 螺旋流进行了解析求解，最终得出了速度、流量和压力梯度的计算公式【3 4 】。同年张海桥、 吴继周等人全面对幂律流体和宾汉流体在偏心环空中层流螺旋流的流动规律与流动状 态的判别进行了理论研究p ”。 1 9 9 5 年张景富、李邦达将钻井液描绘为b i n g h a m 流体，运用柱坐标系下流体质点 运动微分方程，结合b i n g h a m 流体本构方程，在完成定向井偏心环空中b i n g h a m 流体 螺旋流层流流动特性研究的基础上，建立了b i n g h a m 流体在倾斜的同心环空中层流螺旋 流流量、压降的计算公式，引入当量间距的概念，导出了定向并偏心环空中b i n g h a m 流 体层流螺旋流流量、压降计算公式【2 】。1 9 9 5 1 9 9 6 年崔海清等人从理论上建立了双极坐 文献综述 标系下非牛顿流体偏心环空螺旋流的控制方程，并用有限差分法对其数值求解，计算和 分析了非牛顿流体偏心环空螺旋流的速度分布规律，得出非牛顿流体偏心环空螺旋流中 存在二次流区，且影响二次流区域大小的主要因素是偏心距的结论【3 6 4 蚋。1 9 9 5 年西南石 油学院石油工程国家重点实验室将偏心环空的三维流动简化为环空薄层内的二维流动， 从黎曼空间曲面张量表达的动量方程出发，求得了偏心环空层流螺旋流动速度的近似解 析解，用此方程的同心环空表达式与精确解比较，精度较高4 0 l 。 1 9 9 6 年蒋世全、施太和用贝塞尔函数解形式模拟了经过套管旋流器的泥浆和水泥浆 的螺旋衰减速度场，并进行了以泥浆为介质的全尺寸环空螺旋衰减速度场超声波测试， 分析了套管旋流器之后的速度场衰减机理，数值模拟与实际测试曲线趋于一致【4 l l 。同年 雒贵明、李邦达等人依据非牛顿流体力学基本原理，深入研究了卡森流体偏心环空螺旋 流层流动规律，给出了卡森流体偏心环空层流螺旋流速度分布及压降的计算方法，得出 了方便现场应用的计算公式，编制了应用软件。通过室内实验进行了验证，理论计算结 果与实测值相对误差小于5 t 4 ”。 2 0 0 0 年西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室通过对钻井水力参数的分析 和研究，结合小井眼钻井的实际情况，应用非牛顿流体力学的基本原理建立偏心环空螺 旋流模型，对小井眼情况下的环空压耗进行了计算，进一步对小井眼环空中的压力损失 进行了研究【4 3 】。 2 0 0 2 年贺成才提出直接利用线性化迭代法求解幂律流体环空螺旋流的流场及压力 梯度，避免了求解非线性方程组而可能出现迭代发散的问题，收敛性得到可靠保证m 1 。 2 0 0 5 年贺成才根据1 9 8 7 年l u o 和p e d e n 提出的方法，利用数值计算高级语言 m a t h c a d 结合现代计算机仿真计算技术，对幂律流体在偏心环空的螺旋流动做了研 究，得到了这种流动的重要规律【4 5 】。从算例可以发现：在其它参数不变的情况下，钻柱 的偏心对幂律流体螺旋流轴向流量的影响非常大。最大偏心时，轴向流量是同心时轴向 流量的2 6 3 5 倍，是最小偏心时轴向流量的1 6 6 8 倍；钻柱的旋转速度对幂律流体螺旋 流轴向流量的影响较小，但随钻柱旋转速度的增加，轴向流量有所增大，钻柱旋转速度 最大时轴向流量是钻柱旋转速度最小时轴向流量的1 0 1 3 倍。 3 pi v 技术的应用范围及发展趋势 4 p i v 技术具有良好的应用前景，目前已经成功应用在如下所述的流场测试中： ( 1 ) 流场垂直及水平断面测试m h ”，水下建筑物周围流场的垂直及水平剖面测量； ( 2 ) 潮汐作用下表面流速的分布测量【4 8 】及建筑物附近的涡流场测量： ( 3 ) 舰船模型周围的流场分布测试【4 9 】及螺旋桨周围的流场测试； ( 4 ) 超音速喷流瞬时速度场测量【5 0 l ： ( 5 ) 溃坝过程模拟实验中的流场测试； ( 6 ) 风洞实验中的流场测试【5 1 】； 大庆石油学院硕士研究生学位论文 ( 7 ) 圆柱振荡流流场测量垆邵； ( 8 ) 内燃机燃烧过程的流场测试【5 3 1 ： ( 9 ) 柴油机瞬态喷雾场测量【”l ； ( 1 0 ) 叶轮机械复杂流动测量【5 习； ( 1 1 ) 燃烧器冷态流场的测量【5 6 】； ( 1 2 ) 循环流化床环核结构速度分布的测试【5 刀等。 随着计算机技术和图像处理技术的发展以及计算机及其接口技术的迸一步发展， p i v 技术不仅能测试流场的瞬时流动特性，还可以完成与时间相关的流动特性( 如时均 速度、湍流度、雷诺应力等) 的测试。p i v 技术已经发展成为测量二维平面速度场的较 为成熟的工具，对二维速度场的测量已能在1 0 e m x l 3 e m 面积流场内产生1 2 0 0 0 个速度向 量，可以准确获得片光源照亮的平面内各点的两个速度分量。而许多工艺装置中的流动 都是复杂的三维紊流流动。要深入研究这类流动，就必须对流场进行三维测量。正是由 于这个原因，近几年来三维p 1 v 技术受到越来越多的关注。三维p i v 的关键问题是示踪 粒子三维图像的获得及其三维坐标的确定。目前获取示踪粒子三维坐标信息的方法有体 视成像法和全息图像法。还有人尝试过用片光扫描法、偏置圆速法获取示踪粒子的三维 信息。p i v 技术的发展趋势已经集中在3 d p i v ，h p i v 和p i v 技术的高精度与实时性等 方面，完整的三维空间测试正经历着测试方法和技术的改善f 5 s 】。 引言 引言 关于非牛顿流体在同心环空中的螺旋流动，人们已经做了大量工作。与同心环空螺 旋流的问题相比较，偏心环空螺旋流的问题便要复杂多了。虽然这两种流动都是复杂的 曲线流动，但同心环空问题属于一元流动，而偏心环空问题则属于二元流动。元数上的 增加，再加上幂律流体本构方程的非线性，给描述这种流动的基本方程式的求解造成了 极大的困难。尽管如此，这个问题仍然引起了人们的极大兴趣。其主要原因是这种流动 在工程实际中常常遇到，而且开展非牛顿流体偏心环空螺旋流的研究，还可以丰富非牛 顿流体力学的理论宝库【i ”。本文主要研究的是幂律流体在偏心垂直环空管道内的螺旋流 紊流流动规律。 偏心环空管道内流场的情况复杂，以前的研究都是针对层流运动的，而且大都集中 在数值计算方面。而p i v 技术的出现，推动我们对环空管道内流体各种运动情况的研究 更形象、直观，有利于紊流实验研究。p w 技术将定性的流动显示和定量的速度场测量 集于一身，并应用当今先进的测试技术，在同一瞬间( 一般为u s 量级) 将速度场( 一般 为数千个速度向量) 测量并记录下来。由于p i v 的测量结果具有较高的空间分辨率( 一 般可达o 5 m m ) 和时间分辨率及瞬态特性，其测量结果不仅可以直接与数值计算结果相 比较，检验计算方法的正确性，而且它具有不干扰流场、信息量大等突出优点，突破了 传统单点测量的限制，可同时无接触测量流场中一个截面上的二维速度分布。目前文献 中p w 的应用，大都集中于对牛顿流体流场的研究，对非牛顿流体流场的研究较少，2 0 0 5 年周立杰1 1 7 j 首次将p i v 技术应用于环空管道内幂律流体的流动规律测量，但只是局限在 轴向层流流动测量，用p w 技术测量幂律流体在偏心垂直环空管道内的螺旋流紊流流场 是前所未有的，因此开展此课题研究既具有工程实际意义又具有理论价值。 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章p i v 测试系统及环空管道系统 本文实验主要装置有p i v 测试系统和可调节偏心度的垂直环空管道系统。 1 1p i v 测试系统简介 本文所采用p i v 测试系统由国内首家自主开发p i v 系统的北京立方天地科技发展有 限公司提供。 1 1 1p i v 测试设备硬件系统 p i v 测试设备硬件系统包括：照明激光器及其冷却系统、同步控制器、高速数字相 机、计算机和图像采集板，如图1 1 ，1 2 所示。 图1 - 1p 1 v 设备硬件系统 蹦1 - 2p i v 设备硬件系统 f i g 1 - 1t h e h a r d w a r es y s t e m o f p i v d e v i c ef i g 1 - 2 t h e h a r d w a r es y s t e m o f p i v d e v i c e 本文采用的激光器为n d ：y a g 双脉冲式激光器，作为照明光源，使用两台脉冲激光 器经过光束合束器通过一个光路出口并且严格空间上重合的发射出来，经过导光臂和片 光源系统，产生照明流场的脉冲片光源。 冷却系统是激光器的配套产品，本文采用h 1 0 0 a 型冷却系统，这套系统采用非启 停式制冷循环水冷却器，方便灵活，适用多种工作环境。 本文采用m i c r o p u l s e 7 1 0 型同步控制器，通过内部时基产生周期的脉冲触发信号， 经过多个延时通道同时产生多个经过延时的触发信号，用来控制激光器、数字相机和图 像采集板，使它们工作在严格同步的信号基础上，保证各部分协调工作。 本文采用的c c d 相机分辨率为1 0 0 0 x 1 0 1 6 像素，采集速率为2 0 帧秒。数字相机 通过外触发一次瞬间捕捉两帧图像，同时将捕捉到的一系列图像数据通过图像采集板实 时地传输到计算机内存中。触发信号由同步控制器提供，从而保持与脉冲激光器的完全 第1 章p i v 测试系统及环空管道系统 同步。 计算机用于存储图像采集板提供的图像数据，通过粒子图像测速系统软件可以实时 地完成速度场的计算、显示和存储。由于互相关处理需要两帧图像来进行分析，所以系 统最大采集率为1 0 个速度场图像秒。 图像采集板是c c d 相机与计算机之间的信号传输桥梁，计算机通过图像采集板实 现对c c d 相机的控制，同时将c c d 相机采集到的数字图像信号实时地传输到计算机中。 图像采集板占用计算机的一个标准p c i 插槽，采集板的接口包括两部分：一部分为 2 6 针的c a m e r a l i n k 标准数字相机联接接口，另一部分为9 针的差分触发信号接口。p i v 系统的数字相机采用标准c a m e r a l i n k 界面，使用两米的信号线连接到图像采集板；保 持数字相机与脉冲激光器同步的触发信号，通过图像采集板上的t t l 触发接口触发 ( r 1 1 j 触发接口与位于图像采集板外部接口上方的同轴电缆接口连接) 。 1 1 2p i v 测试设备软件系统 本文采用的p i v 测试软件系统主要是北京立方天地科技发展有限公司开发的粒子 图像分析系统软件m i c r o v e c v 2 2 1 ，图像控制系统采用基于w i n d o w s 2 0 0 0 x p 操作系统 的面向对象软件体系。集成了p i v ，p t v ，浓度场分析和粒径分析等功能模块。 硬件控制包括：数字相机的实时控制和图像采集板的实时控制。 软件模块包括：通用数字图像的显示和处理；实时粒子图像测速计算( p ) 和粒 子跟踪测速计算( p t v ) ；互相关计算图像中部分区域及全部区域的速度；支持大量图 像的批处理；具有设定分区自动计算功能；支持向量单点修正单点赋值向量滤波修 正所有向量；可对图像进行灰度调整、滤波、翻转、读值、模糊、放大缩小、对比度调 整等通用数字图像处理；兼容t e c p l o t 流场分析绘图软件。 1 1 3p i v 技术原理 近年来，由于图像处理技术的发展和数组式计算机的产生给图像处理提供了现实可 能。p i v 技术就是在流动显示基础上，充分吸收现代计算机技术、光学技术以及图像分 析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段。它不仅能显示流场流动的物理形 态，而且能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞 跃【5 9 1 。 简而言之，p i v 技术是用某一足够短时间内的平均速度代替瞬时速度的方法，通过 测量流场内不同粒子的瞬时速度进而得到整个流场的速度场。 对于查询区域内单个速度向量的形成是基于拉格朗日法得到的。拉格朗日法是研究 流体运动的一种基本方法，它采用“质点观点”研究流体运动，通过跟随一个选定的流 体质点，观察它空间位置的变化情况，从而获得该质点的运动情况。 我们把流体质点的空间位置兄y 看是变数知，y o 和t 的函数，凰与是初始位置， 大庆石油学院硕士研究生学位论文 t 为时间变量。用式( 1 - 1 ) 表示： j 肛工( x o ，珞f )( 1 - 1 ) l y = 】，( x o ，写，r ) 根据速度的定义，可以由位置函数( 2 一1 ) 求出速度函数( 2 - 2 ) ： j 吲昂) ”巡血气笋必( 1 - 2 ) 【- 巧= 巧( “) ”墼直型必 在极短的时间内，单个查询区域内近似认为速度恒定，显示的结果又是基于欧拉方 法的，即可以提供整场瞬时信息。 p i v 技术充分利用了拉格朗日法。首先在流场中散播合适的示踪粒子。把示踪粒子 当作单个流体质点。把激光束经过组合透镜扩束成片光，照明所测流场区域，使用c c d 等摄相设备获取示踪粒子的运动图像，同时记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔t ， 然后对拍摄到的连续两幅( 即一对) p i v 图像进行互相关分析，识别示踪粒子图像的位 移，并考虑图像与被测流场的几何比例系数，根据式( 1 - 2 ) ，就可以计算出流场内部该 示踪粒子处的流体质点在采样时刻的瞬时速度。对足够多的示踪粒子进行相同的处理， 就得到所测流场个切面在采样时刻的速度分布。进一步处理可得到流场涡量、流线及 等速度线等流场特性参数分布。上述原理如图1 3 所示。 图1 3 p i v 技术原理 f i g 1 - 3t h e 两n c i p l eo f p i vt e c h n o l o g y 1 1 4 互相关理论 前面多次提到“互相关”这个词，本文中的“互相关”是针对一对图像而言的。下 9 第l 章p i v 铡试系统及环空管道系统 面介绍一下互相关理论。 在对采集图像进行分析时，首先需要明确一个概念，即“判读区”，它是指在图像 中一定位置取一定尺寸的方形图，通过对判读区进行信号处理，就可以获取速度。假设 系统在t o 以及t o + a t 这两个时刻分别获取图l 和图2 ，在图l 和图2 中相同位置获取两 个同样尺寸大小的判读区f ( m ，n ) 以及g ( m ，n ) ，( m ，n ) 表示f 与g 分别在图1 与图2 中 的相对位置，对f 与g 进行处理就可以获得此判读区对应位移s ，示意图如图1 - 4 所示： 图1 4 互相关计算示意图 f i g 1 - 4c 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 判读区f ，g 与位移向量s 之间的数字信号传递函数关系如图1 - 5 所示( 图中大写字母 分别是对应小写字母的傅立叶变换) ： 输入图像 ( 图i ) 炳，n ) - f ( u ，v ) 图像传递函数 ( 空闸位移) 冈 i 。( 。，v ) | 1一 岽譬一黜 d ( m ，n ) 附加噪声 d ( u ，v ) 图1 5 互相关分析传递函数图 f i g i 一5t r a n s f e rf u n c t i o nm a po f c r o s sc o r r e l a t i o na n a l y s i s 图l 一5 中f f m ，n ) 表示系统输入，g ( m ，n ) 表示系统输出，s ( m ，n ) 表示空间位移函数 ( 对应于系统的脉冲响应) ，d ( m ，n ) 表示附加的噪声，此噪声是由粒子离开判读区的 边缘或粒子由于三维运动进入光屏所造成的。当然，f ( m ，n ) 和g ( m ，n ) 的原始采样也必 然包含噪声。 p 图像分析主要任务是计算空间位移函数s ( m ，n ) ，但噪声d ( m ，n ) 的出现使问题 变得复杂。整个系统工作关系式为： g ( m ， ) = 【f ( m ，甩) s ( m ，厅) 】+ d ( m ，”) ( 1 - 3 ) 表示f 与s 的卷积运算，位移除以获取两幅图像的时间间隔t 就是判读区的平均位 移。 1 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 靶i i t i 宝霞uh 瘴蕊 矩帅f 、广 川：餮，鞲蕊 ( t d )l 中( ，v ) = 掣j 丛叫f f r l 旦j 虬糊3 卜p 5 t 划5 卜_ _ i 恤划；p 划f ( u ，v ) g i ( u di l _ jl 上j u 麓 图1 - 6 互相关计算步骤图 f i g 1 - 6c o m p u t i o n a lp r o c e d u r e sm a po f e r o s sc o r r e l a t i o n 图中d x 与d y 分别是经过傅立叶逆运算后结果最大值相对于中心位置在x 和y 两个方 向上坐标的变化，v x = d x a t ，v y = d y a t 1 2 垂直环空管道系统 1 2 1 构成 垂直环空管道系统主要由内管、外管、偏心度调节装置、旋转电动机、水箱、螺杆 泵、变频器、流量计、测温装置、u 形管压差计、计算机、数据采集软件、电源及调节 控制系统构成。 1 2 2 设计要求 1 实验管道的几何尺寸尽量与实际工程相接近； 2 管道干净，实验段内外管均可透光； 3 便于调整内外管同心以及内管偏心度，要保证内管有一定的抗扭强度： 4 旋转电动机与内管稳固连接； 5 内管保持竖直，轴线与外管轴线重合或平行： 6 内管能够绕自身轴线以等角速度旋转，外管静止； 7 管道的密封性好； 第1 章p 1 v 测试系统及环空管道系统 8 有稳定的液源，能够使液体在管道中循环流动，保证实验连续进行； 9 水箱容积合适，且不能生锈； 1 0 方便向水箱中散播示踪粒子； 1 1 实验段处于暗室中； 1 2 方便对激光光源和c c d 相机进行准确定位； 1 3 容易进行工况调节，便于调整、拆装： 1 4 能够实时准确地采集数据： 1 5 保证系统平稳运行。 1 2 3 垂直环空管道系统的详细情况 根据以上设计要求，为本文实验设计了一套垂直环空管道系统。环空段管道与地面 垂直，管长1 1 4 m ，贯穿1 4 楼，内管外径为2 0 m m ，外管内径为7 0 r a m ，外径为9 0 r a m ： 为保证旋转时内管的抗扭强度，内管绝大部分材质采用不锈钢，为了用p i v 技术进行实 验时有良好的透光性，实验段内管与外管材质采用透明的有机玻璃；由于环空装置的边 界不是平面，而是圆柱体，进行p i v 测试实验时，圆形边壁会产生凸镜效应，使得同一 视场内各点聚焦程度不同，为此在实验段外侧补加一个方盒子，如图1 7 所示，内充与 环空管道内相同的液体，以减少折射现象，进行光路补偿；外管上下两端接有偏心度调 节装置，内管上端接有旋转电动机，以便于做偏心环空螺旋流实验；内管最下端连接一 均质圆形重物，以防内管日久变弯；距实验段上下各l m 处加有扶正装置，以防内管旋 转时做行星运动； 为保证液体能在管道中循环流动，垂直环空段上下均与钢管连接，另外设计一个容 积为6 0 x 4 5 x 8 0 c m 3 的长方体上方敞口水箱，水箱内侧刷一层防锈油漆，以防水箱生锈， 对实验造成不良影响； 为测量温度和压降，在垂直环空管道上接一测温装置和倒u 形管压差计； 因为应用p i v 技术做此实验需要在暗室中进行，实验段选在三楼，所以在三楼管段 周围建造一个不透光的板房，板房的大小主要是根据各p i v 测试设备所需空间及实验时 的摆放位置设计的； 为方便调节工况，设计了一个垂直环空实验调控装置，如图1 8 所示，此装置上有 总电源、泵电源及电动机电源控制按钮，调节泵的频率及旋转电机转速的旋钮以及温度 显示器；此外，为了能够实时准确地采集数据资料，根据实验需要，编制了一个垂直环 空实验数据采集软件，安装在一台专用计算机中。此软件结合测量仪器可以准确地记录 下被测液体每秒钟的瞬时流量、温度、压差和采集时间。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图l - 7 垂直环空管道实验段 f i g 1 7t h ee x p e r i m e n tp a r t o f v e r t i c a la n n u l u sp i p e l i n e 图1 8 垂直环空实验调控装置 f i g 1 - 8t h ec o n t r o l l i n gd e v i c e o f v e r t i c a la n n u l u se x p e r i m e n t 1 3 第2 章幂律流体偏心环空螺旋流紊流流场的p i v 测试 第2 章幂律流体偏心环空螺旋流紊流流场的p i v 测试 2 1 实验装置、实验流程及实验方案 2 1 1 实验装置和实验流程图 为了探讨幂律流体在偏心垂直环空管道内的螺旋流紊流流动规律，开展了p i v 实验 研究，即用p i v 技术测量幂律流体在偏心垂直环空管道内的螺旋流动流场。被测液体在 水箱内通过螺杆泵由水箱下部抽出，经过圆管自下而上流入垂直环空管道，再由环空管 道上部出口流出，经过圆管自上而下流回水箱，如此循环，采集实验段的被测液体图像。 实验装置由两大部分组成：p i v 测试装置和垂直环空管道装置，实验装置和实验流程图 如图1 1 ，1 - 2 ，1 - 7 ，1 - 8 ，2 - l 所示。 图2 - 1 垂直环空管道装置及流程图 f i g 2 1t h ed e v i c ea n df l o wd i a g r a mo f v e r t i c a la n n u l u sp i p e l i n e ( 1 ) 按照实验要求，对同一垂直环空管道先后调节三个不同的偏心度：o ，4 0 和8 0 ； ( 2 ) 利用倒u 形管压差计测定特定位置处的压差； ( 3 ) 螺杆泵做为供液设备； ( 4 ) 根据流量的大小不同，决定选用大流量计或小流量计； ( 5 ) 专用计算机用于采集流量、温度等实验数据。 1 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 2 1 2 实验方案 根据偏心度的不同，将本实验分为两部分：同心( 偏心度为o ) 垂直环空实验、 偏心度分别为4 0 和8 0 的偏心垂直环空实验。由幂律流体的本构方程可知，当竹= 1 时， 该流体则为牛顿流体，所以可以认为牛顿流体是幂律流体的一种特殊形式。又因为水是 典型的牛顿流体，因此，为进行对比，每一部分实验都先对水在垂直环空管道中的流