流动可视化实验技术最新进展及应用

1、流动可视化实验技术最新进展及应用陈富新 罗 鹏/沈阳化工学院巴德纯/东北大学流体工程中心摘要：对一些重要新颖的流动可视化实验技术，如热线测速、PIV、激光诱导萤光成像、分子标记法测速等的原理及适用性进行了较为详细的介绍与评述。关键词： 流动可视化，热成像，激光, 放射性中图分类号：TP206 文献标识码：AProgress and applications in Flow Visualization Experimental TechniquesAbstract: The principles and new developments of some major flow visualizat

2、ion experimental techniques, e.g., classical hot-wire anemometer, PIV, and novel ones like laser-induced fluorescence and molecular tagging velocimetry are reviewed and their usefulness for particular situation is discussed. Keywords: flow visualization; thermography; laser; radioactive 1 引言在各类流体机械中

3、，流体介质的实际流动状况往往对其性能及效率起着决定性的影响作用。例如，对于各类泵、风机及压缩机而言，其流量、压头、效率及噪声等都与流体介质的流动状况密切相关。了解其内部流动状况，可以充分认识其流动规律，以便对其进行技术改进及优化设计。可以说，任何新型流体机械设备的开发及优化设计，都离不开对其中流动过程的研究。而流动可视化实验技术，就是一种最直接有效的实验手段，同时，也可为流动过程数值模拟结果提供检验依据。对流动过程进行直接的视觉观察是一种相当古老的实验方法，当年雷诺在研究直管中流体湍流的临界转变条件时，就用了可视化方法。随着现代技术的进步，流动可视化技术也得到了飞速发展，并在新型流体机械设备的

4、开发研究中发挥了至关重要的作用。2 点流速测试技术2.1热线测速技术热线(Hot-wire )测速技术是一种测定气体及液体确定点流速的技术。其敏感元件为直径5mm左右,长12mm的通电铂丝或钨丝。控制回路将作为敏感元件的热线维持在恒定温度下。流过热线的流体从热线带走的热量由流向热线的电流增量补偿。测试点处的流速越大，探头热线的散热速率越大，电流增量也越大，电流(电压)就成为流速的确定函数。由于热线容易损坏，也可采用热膜作敏感元件。热膜一般是在小直径圆柱状石英表面镀铂制成的。采用单个探头只能测出流速的量值，当将探头按图1所示的方法组合时，可测出流速向量的三个分量1。热线风速仪可以用于不透明流体，

5、但这是一种接触式测量技术，热线探头不可避免地要对测试流场产生一定的干扰。2.2激光多普勒测速技术_收稿日期:2005-05-20 沈阳市 110142 激光多普勒速度仪(Laser Doppler Velocimetry)是一种对流动无干扰的精确测速仪器。它的工作原理并不复杂：将一束激光分成两束，并使这两束激光在流场中的测量点处交汇。在两束激光交汇形成的小空间内会形成平行的干涉条纹。当流动跟随粒子(预先分散于测试流探头图1 三线热线探头体中)穿越这个小空间时，就会发生光散射，改变干涉条纹形态。通过分析干涉条纹的变化，就能确定跟随粒子的速度。在实际测试技术中，一般人为轻微地使一束激光的频率发生改

6、变，以使干涉条纹的形态以一确定的频率脉动。当流动跟随粒子穿越干涉条纹空间时，将使干涉条纹原有的脉动频率发生改变，即出现多普勒频移fD。记录fD，可由下式计算粒子速度v： （1）而df为干涉条纹间距： （2）式中，为激光波长；2为两束入射激光的夹角。对于同一测试点，使用三种不同波长的激光束测速，可以获得粒子在该处的三个方向的速度分量2。 LDV技术的应用仅限于透明流体。对于不透明流体，可采用与其粘度与流变特性相近的替代流体进行研究。相多普勒技术(Phase Doppler Technique)是在LDV基础上发展起来的一种新型流场测速技术2。相多普勒技术考虑了示踪颗粒的尺寸，这对于研究流体喷射、

7、气体及固体颗粒在液体中的分散问题十分有利。该技术的原理参见图2。测速区为流场中由两束激光交汇点确定的微小空间。两束激光的交汇在测速空间内产生一个确定的干涉条纹。当颗粒穿过测速区时，就使激光发生散射，并将干涉条纹投射到接收镜头。接收镜头将部分干涉条纹图像投射到探测器上。每个探测器就产生一个频率与颗粒速度成比例的多普勒脉冲信号。而两个不同探测器的多普勒脉冲信号的相转移与颗粒的尺寸存在有确定的比例关系。激光扩散器激光扩散器激光光源接收棱镜测试区域图像探测器频率和相信号处理器图2 相多普勒测速技术原理因为相多普勒技术不是以散射光强度决定颗粒速度的，因而不需在使用前校准。它也避免了由光强衰减或折射而产生

8、的误差，因而更适合在高浓度悬浮系统或燃料环境中使用34。2.3超声波多普勒测速 该技术的基础是多普勒效应。它跟据在流场中运动的示踪颗粒上反射回来的超声波脉冲测速。流体速度由发射与反射回来的超声波频率的变化及液体介质中的声速确定。 该技术是一种对流场无干扰的测速技术，但当被测试流场存在运动的自由表面时，可能造成测试结果失真5。3 多点同时测试技术多点同时测试技术可以同时获得全流场或流场某一截面上的速度场。3.1迹线法首先将能在被测试液体中自然悬浮的示踪颗粒分散在被测试流体中。用强光(通常是片状强光)对置于暗室中的流体的研究截面进行照明。当将照明截面上颗粒的运动轨迹拍摄下来。通过分析示踪颗粒的运动

9、迹线，可以了解全流场的流动形态。该方法已成功地用于牛顿流体及非牛顿流体的复杂流场的研究6。3.2流动跟随技术该技术是使用流动跟随物来确定流型。即通过记录流动跟随物在流场中的运动轨迹推测流型。通常，流动跟随物是能够自然悬浮的染色颗粒(以便对颗粒加以区别) 7对于特殊的不透明流体，跟随物可采用能发射一定频率的无线电波8的小颗粒或小磁性体9。最近，有人用该技术获得了流场中流动跟随物的三维运动轨迹1011 。A.R.Rammoham等人12采用具有一定放射性的流动跟随颗粒，他们在测试流场周围放置几个放射性接收传感器来记录跟随颗粒在整个流场中的运行轨迹。放射性流动跟随粒子为直径2300m，内部嵌有体积为

10、1×1×0.23mm3的放射性钪(Sc-46,80Ci)的聚丙烯小球，球壳内留有适当的充满空气的空间，以使其具有与测试流体相近的密度。Chen.J.等人13 14采用类似的方法，研究了透明度很低的鼓泡塔和结晶器内的流动。Parker15 等人提出了用正电子发射示踪颗粒描述流速场的方法。在仅需要了解流场方向的情况下，也可采用方向跟随技术。该方法是将短丝线粘贴在测试流场容器内壁或流场内转动件外壁上。通过观察短丝线的取向方式了解流场的速度方向。也可采用统计方法对短丝线的取向情况进行统计意义上的量化表征16。3.3变色示踪技术该技术是在透明流体中加入适当的化学剂通过化学反应以产生有

11、色的示踪流体或使有色流体脱色。也可在测试流体中先加入适当颜色，然后滴入两种能够发生化学反应，并且其反应能使预加颜料的颜色发生改变的化学剂，用这种方法也能很好地表现流型17 。3.4热成像技术这是一种利用热敏性液晶反映流型的实验方法。测试前，先将少量含铬热敏性液晶分散在流体中，这时，全流场温度相同，液晶在流场各处有相同的颜色强度。而后，向测试流体中加入少量热流体，该股流体的流动形态就以液晶颜色的变化的形式反映出来，并用彩色摄影记录这种颜色变化。接下来，对每个象素的亮度、色度、色彩进行分析，以获得流场的定量信息 18。.注入的加热流体一般比容器内测试流体高2左右。用类似的方法也可测定流体的温度分布

12、3.5 粒子图像测速技术粒子图像测速(PIV)不是记录示踪粒子的轨迹，而是比较两相邻时刻示踪粒子的位置。在流场中的照明平面内，在短时间间隔内，拍摄两幅示踪粒子位置的照片，比较各示踪粒子的位置，就可计算出示踪粒子处的二维平均速度。如果在流体中加入足够多的的示踪粒子，就能获得全流场照明平面上的速度分布。粒子平均速度的计算一般要用专用软件。当示踪粒子数量较少时，可以通过辨别特定粒子的位置计算平均速度19。也可采用图像关联法，确定粒子的速度20。常规PIV技术通常采用片状激光光源对流场的某一截面进行照明，这样得到的是照明平面处的二维速度场。Zhang.J.等人将全息摄影技术与PIV技术相结合，获得了示

13、踪粒子的三维速度分布21。J.Becker等22使用多台同步CCD摄像机同时记录示踪粒子的空间位置，获得了最多8000个示踪粒子的三维速度向量。3.6激光诱导萤光法某些化学物质，如萤光素、玫瑰精(rhodamine B)等在受到特定光线照射时会发出不同颜色的萤光。这类物质也称为感光变色染料。激光诱导萤光法研究流型的基本过程是用激光脉冲照射已经混合有感光变色颜料的流场中的某个区域或特定截面，使该处的萤光物质变色发光，并在萤光消失之前用拍摄记录萤光物质的运动，从而了解流场的流动情况。美国密歇根大学的研究人员使用两种受激后能发出不同颜色的萤光物质，清晰地描绘出了一股流体垂直射入浅圆盘容器中的静止流体

14、时两者的混合发展过程23(参见图3)。其具体作法是先在圆盘 图3激光诱导萤光法得到的两种流体的混合过程图像状容器的水中沿内侧壁注入受激后能发出橙红色萤光的玫瑰精(rhodamine B)细流。而后，将溶有受激后能发出绿光的颜料(disodium fluorescein)的水溶液垂直射入浅盘中的液体。在液体射入后的瞬时，用片状激光脉冲照射容器对称剖面，并用彩色摄像机记录含两种不同萤光颜料的流体的流动过程。该大学的研究人员还提出了另一种称为分子标记(molecular tagging)法的测试技术23。他们将萤光颜料溶于测试流体中，然后用网格状激光脉冲照射流场中准备测速的区域，使该区域中的萤光颜料

15、呈现出网格状发光的形态(见图4中的左图)，在很短的时间间隔后，再拍摄记录标记测速区的另一幅照片，这时，由于流动萤光网格已发生了扭曲(见图4中的右图)。对比两图中网格的变形，采用空间关联技术24，就能得到测试流场的速度向量(见图4中的下图)。3.7断层摄像技术断层摄像技术源自于医用计算机辅助断层摄像技术(CAT或CT)。它可从通过多张断层图像获得流场的三维图像信息，该方法特别适用于气液及固液不透明多相流体的研究25 。图4 分子标记法得到的标记测速区的萤光图像及速度向量3 结束语本文介绍的流动测试技术中，有些已作为商品测试仪器出售，如PIV、LDV等。有些虽有商品仪器，也可根据测试条件，自行组装

16、，校准后使用，如热线测速仪。另外，也可以跟据现有条件，采用类似测试原理，自行设计测试方案，如，采用不同感光颜料或诱导光源实现流场成像。参考文献3 Schäfer.M. et al. Experimental investigation of local bubble size distributions in stirred Vessels using phase Doppler anemometryC. Amsterdam. Proceedings 10th Europ . Conf. Mixing.2000.4 Yu.Z., Rasmuson Ä.C. Projecte

17、d area of measurement volume in phase-Doppler anemometry and application for velocity bias correction and particle concentration estimationJ.Exp in Fluids, 1999,27:189-198._notes/interfaces.htm6 Yianneskis.M. The effect of flow rate and tracer insertion time on mixing times in jet-agitated vesselsC.

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20、an open system by a trajectography methodC . Amsterdam. Proceedings 10th Europ . Conf. Mixing.2000.11 Wittmer.S.et al. Characterization of stirred vessel hydrodynamics by three-dimensional trajectographyJ,Can J Chem Eng, 1998, 76:600-610.12 A.R.Rammoham.et al. Characterization of flows in stirred ta

21、nks via computer automated radioactive particle tracking(CARPT),Trans IchemE, 2001, 79:831-843.13Chen.J.et al. Comparative hydrodynamics study in a bubble column using computer-automated radioactive particle tracking(CARPT)/computed tomography(CT) and particle image velocimetry(PIV)J,Chem Eng Sci, 1

22、999,54:2199-2207.14Pant H.J.Flow rate measurements in a draft tube baffle crystallizer using a radioactive flow follower techniqueJ, Applied Radiation and Isotopes, 2000,53(6):999-1004.15 Parker.D.J. and McNeil.P. Positron emission tomography for process applicationsJ, Meas Sci Technol, 1996,7:287-2

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