高速摄像技术在空气核形成、发展和稳定过程中的应用

高速摄像技术在空气核形成、发展和稳定过程中的应用

0旋流器内空气核的研究主缸水压机是一种广泛应用于各种分离的设备。内部空气核作为其流场特征之一，由许多专家和科学家进行了不同的研究。结果表明，由于rv-yale空气试验器的分离特性和分离效率有很大的影响，因此需要对空气核进行全面的研究。由于过去受到测试手段的限制,人们对旋流器内空气核的研究仅限于尺寸大小及其变化规律,而对其形成、发展直至稳定的过程却未见详细的研究报道。鉴于此,笔者利用高速摄像技术对空气核的形成、发展和稳定过程进行测试,以期为全面了解旋流器内流场特性及分离特性提供依据,也为进一步深入研究旋流器分离机理和优化结构设计提供试验依据。1空气核的构成条件水力旋流器空气核的出现、发展直至形成与旋流器特定的几何结构和进料方式有关,根据文献可知,旋流器的径向压力分布为:pr=pR−ρvin2n[(Rr)2n−1](1)pr=pR-ρvin2n[(Rr)2n-1](1)式中pr——任意半径处的压力,Pa;pR——旋流器器壁处的压力,Pa;ρ——流体密度,kg/m3;R——旋流器半径,mm;r——任意点处的半径,r=0～R;vin——进口速度,m/s;n——常数。由于r的变化,在旋流器径向各处的压力是不相同的,所以从旋流器壁向中心的径向方向存在压差,其值为:Δp=pR−pr=ρvin2n[(Rr)2n−1](2)Δp=pR-pr=ρvin2n[(Rr)2n-1](2)从式(2)可以看出,随着r的减小,Δp必将增大。当r减小到某一值时,将会出现Δp=pR,此时pr=0,如果再减小r,则pr将会出现负值,这样会使液体中的气体和从大气中吸入的气体进入负压区域,从而形成空气核。因此,在水力旋流器某一半径处流体静压力为0以及在中心区域内压力为负值(即入口压力达到一定值)是形成空气核的必备条件。依据参考文献可知,空气核内压力分布为:p=p0+ω2ρ0r22(1−2kr3ra)(3)p=p0+ω2ρ0r22(1-2kr3ra)(3)式中ω——空气核旋转角速度;ρ0——空气核内空气的密度;k——常数;ra——空气核半径。由于0<k<1,当r减小时,空气核内的压力下降。当r=0(即在旋流器中心处)时压力最低,其值p0可以依据液气界面条件(r=ra、p=0)确定,由式(3)可以得到空气核中心处的压力为:p0=−ω2ρ0ra2(1−23k)(4)p0=-ω2ρ0ra2(1-23k)(4)空气核压力在旋流器整个轴向方向都是负值,且从底流口到溢流口的轴向方向存在压力梯度,这是空气核内气体轴向流动的推动力之一。2旋流器测试方案设计试验所采用的旋流器结构满足Ritema优化结构,其结构尺寸如表1所示,全部试验在实验室内完成。试验测试系统由旋流器物料输送装置和测试装置组成,如图1所示。旋流器物料输送装置由贮槽、离心泵、流量计、压力表、旋流器、阀门等组成;测试装置由高速摄像机、处理器、录放机、监视器、控制面板、计算机等组成。试验时测试系统通过处理器提供一个高脉冲信号给摄像机,摄像机将拍摄到的图像传递给处理器,处理器将电信号转变成图像信号,并通过录放机在监视器上显示,捕集的速度由控制面板设定。摄像机和处理器由日本KODAK公司生产,其型号为KODAKEKTAPROHS4540MX,它提供了30、60、125、250、750、1125、2250、450fp8种幅频模式,用户可以根据需要选择。当确定记录频率后,还需要选择记录模式、取景模式以及回放模式,所有设置完成后就可以进行拍摄了。试验按要求对10、20、30°3种锥角的旋流器在2、3、4m3/h共9种工况下,对空气核采用1125fp的幅频模式进行实测,这完全能够反映出空气核的整个特征。所拍摄的内容被记录在处理器磁盘上,通过监视器和录放机将所需要的部分存储在计算机中,再进行下一次拍摄任务,每改变1次参数重复操作1次。3试验结果与讨论3.1旋流器内部分植物引起空气核的分离和混合结构不同流量下旋流器内空气核的产生过程相似,都经历了形成、发展和稳定阶段,只是在每个阶段所经历的时间不同。图2是旋流器锥角为10°、流量为4m3/h时空气核形成过程的典型特征。从图2可以看出,由于旋流器内的空气受到液体挤压而产生了类似于“葫芦串”形状的空气核。当液体充满到旋流器溢流口下方时空气核从底流口处开始消失,消失的长度与进口流量有关,流量越大消失的长度越长。当旋流器内全部充满液体后,消失的空气核又从上向下延伸至底流口,进而形成贯通的空气核,贯通过程中的空气是从溢流口被吸入的。从图2还可以看出,空气核形成过程中在底流口附近区域摆动较大,在柱锥交界区域弯曲较大,形成稳态后出现了“类绳扁平状”的扭曲形态,上、下直径差异较大。由于锥角小,旋流器在相同直径下底流口与溢流口距离远,在液体充满内部空间而未完全形成旋转流场时,液体所产生的液柱封住底流口,从而阻止了空气从底流口被吸入。流体旋转强度是从上向下逐步增强的,内部的负压区域也是从上向下延伸的,从而导致空气核从上向下延伸至底流口,进而形成贯通的空气核。此外,由于流场的随机波动,出现了扭曲和弯曲现象。3.2旋流器内流体的空气核图3是旋流器锥角为20°、流量为3m3/h时空气核形成过程特征。从图可以看出,空气核形成过程与10°锥角旋流器相似,但也有其独特特征。空气核在底流口附近消失的长度很短,所产生的“类绳扁平状”结构位于锥体中部区域,上端柱体部分的空气核呈柱状,底流口处弯曲比较严重,且空气核形成贯通的过程是由粗变细,然后又由细变粗直至形成稳定尺寸。由于旋流器内流体达到一定旋转强度后才产生离心力场,液体刚充满内部空间时离心力场不是最大,中心区域的真空度也不是最大,负压所存在的范围也不是最大,所以空气核出现变细现象;随着流体旋转强度和离心力场的增强,使中心区域的真空度和负压区域增大,所以出现了空气核直径增大的现象。从理论上讲,如果进料条件不发生波动,则空气核尺寸和形状将不会发生变化,但实际情况是进料条件是随机波动的,这就导致流场出现随机波动,从而导致空气核尺寸和形状处于不断变化之中。3.3单次给药后,各形态和形态都有杂作图4是旋流器锥角为30°、流量为3m3/h时空气核形成过程特征。在空气核的形成过程中,没有出现空气核消失的现象,但在底流口处产生了非常严重的弯曲形状,流量越大弯曲越严重;此外,空气核存在由粗变细,又由细变粗的过程。当达到稳态后,空气核相对的变粗变直,“类绳扁平状”形态不明显,几乎成柱状。由于锥角大,旋流器在相同直径下,2个出口的间距较近,开始充满内部的液体所形成的液柱不足以封住底流口空气的吸入,所以没有消失的空气核出现。综上所述,3种锥角旋流器的空气核在产生过程中虽然有差异,但几乎都在锥体中部出现“类绳扁平状”形态的空气核,锥角越小,该形态的长度越长,而且特征也越明显。10和20°锥角旋流器在底流口出现了断续的空气核,但30°却没有出现此现象。在空气核的形成过程中,最初是由底流口向溢流口方向发展,然后又从溢流口向底流口方向贯通,并存在由粗变细,又由细变粗的过程。3.4从进口流量对空气核的尺寸特征的影响旋流器在不同锥角不同进口流量下,空气核达到稳态后的形状存在很大的差异。图5是10°锥角旋流器在不同进口流量下空气核达到稳态后的特征。从图可以看出,流量越大,稳态时空气核扭曲越严重,流量小时弯曲严重;其次,不同进口流量下空气核直径不同,进口流量越大空气核直径越大,但其直径沿高度的变化小;再其次,空气核沿旋流器几何中心偏摆,进口流量小时上部偏摆大,进口流量大时,底流口附近偏摆大。通过分析发现,若要减小空气核对流场和分离的影响,则每一种结构的旋流器都有一对应的最佳操作参数(进口流量),在此条件下空气核既不会产生过大的尺寸,也不会出现过分严重的“偏摆”现象。从图5还可以看出,当形成稳定的空气核后,流量为2、3m3/h时其形状类似于正弦曲线;流量为4m3/h时,在锥体部分产生了“类绳扁平状”的空气核。因此,过去研究认为空气核的形状是“柱状、麻花状、正弦状”等形状都是不全面的。从这里可以看出,空气核的形状是随着流量的不同而发生变化的。对于20°锥角旋流器稳态时空气核的形状特征而言,当流量较大时,空气核在锥体中部范围内出现扭曲现象比较明显,且底部弯曲严重,但在整个长度范围内的直径尺寸变化较小;当流量较小时,空气核扭曲虽然不明显,但在柱锥交界处出现了明显的弯曲现象,且在整个长度范围内的直径尺寸变化较大。对于30°锥角旋流器稳态时空气核的形状特征而言,随着流量的增加,弯曲和扭曲现象越明显,但与10和20°锥角的旋流器相比,又要轻微得多;其次,无论流量是大还是小,空气核在整个长度范围内的直径变化都不明显。综上所述,随着进口流量的增大,旋流器内流体旋转离心力场也随之增大,由于进口结构不对称的影响,致使在流体旋转离心力场增强的同时还伴随着湍动的加剧,从而出现“类绳扁平状”形态的空气核。此外,由于在旋流器上、下部分存在径向湍动差异,使得空气核出现偏摆和弯曲现象。此现象是流场随机波动的反应,但反过来它又影响着流场,这使得颗粒沿径向方向的规律分布受到一定程度的破坏,从而导致分离效率的下降。不同结构不同流量下所产生的空气核对流场和分离的影响是不同的。为了减小空气核尺寸和偏摆带来的影响,不同结构的旋流器应有一最佳操作参数,其优化需要进一步研究。4空气核流器结构与操作参数的影响(1)旋流器空气核在形成过