氣固兩相自由射流的瞬態(tài)流場研究

1、第19卷第1期實驗流體力學V ol. 19,N o. 12005年03月Journal of Experiments in Fluid MechanicsMar. ,2005文章編號:167229897(2005 0120022204氣固兩相自由射流的瞬態(tài)流場研究楊任剛, 張東東, 何楓, 許宏慶(清華大學工程力學系, 北京100084摘要:為深入了解氣固兩相流的瞬態(tài)特性, 對出口內(nèi)徑為10mm 的氣固兩相自由射流流場進行了PI V 實驗研究, 同時應用Fluent 軟件對其進行了數(shù)值計算加以對比。對實驗和數(shù)值計算的氣固兩相速度場和固相濃度場的分析發(fā)現(xiàn), 氣固兩相射流中, 固相的分散度小于氣相

2、, 兩相間存在明顯的滑移速度; 固相粒子集中在射流軸線附近, 在射流中的擴散小于氣相。關鍵詞:氣固兩相自由射流; 速度場; 濃度場中圖分類號:O358;O353. 5文獻標識碼:AI nstantaneous investigation of gas 2solid tw o 2phase free jet flowY ANG Ren 2gang , ZHANG Dong 2dong , HE Feng , X U H ong 2qing(Department of Engineering Mechanics , Tsinghua University ,Beijing 100084, Chin

3、a Abstract :Theinstantaneous characteristics of gas 2s olid tw o 2phase free jet flow was investigated with a 102mm 2diameter jet using experiment method of particle imaging velocimetry (PI V and numerical simulation. From the instastaneous velocity fields in both gas and s olid phase and the concen

4、tration distributions of the s ol 2id phase achieved by both experiment and numerical com putation , it can be found that the dispersion of s olid phase is lower than gas phase , there is obvious slip velocity between them and the s olid particles distribute near the axis of jet flow.K ey w ords :ga

5、s2s olid tw o 2phase free jet flow ; velocity field ; concentration distribution0引言氣固兩相流的研究在工程中有著十分廣泛的應用1,2, 如空氣清新器、火箭燃燒噴出的射流、在燃燒器中噴入鍋爐的煤粉等。目前已經(jīng)有一些經(jīng)驗性的設計3, 但是對于這種流動的機理還不清楚。用等速管、PDPA 或LDA 等方法只能提供單點粒子的平均流場信息。而噴射過程中了解粒子濃度的瞬時分布特性比時均分布特性更為重要, 因為瞬時粒子濃度對局部氣體溫度和密度有更大的影響。作者應用PI V 技術采用小粒子和大粒子混合, 用小粒子(1m 示蹤測量氣

6、相速度, 大粒子(100m 測量固相速度和濃度, 可以同時測量出氣固兩相射流流場的瞬時速度場和不同粒徑粒子的瞬時濃度分布。同時利用Fluent 軟件, 將氣相視為連續(xù)相, 固相視為離散相, 計算離散相的運動軌跡時, 根據(jù)離散相沿運動軌跡的熱量、質(zhì)量、動量的變化, 將這些物理量作用于隨后的連續(xù)相的計算當中。交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程, 進行兩相間的雙向耦合計算, 與實驗結(jié)果相驗證。1實驗測量裝置實驗測量裝置包括一套完整的PI V 系統(tǒng)、氣固兩相射流流動系統(tǒng)、三維坐標架系統(tǒng)和控制系統(tǒng), 如圖收稿日期:2004202225; 修訂日期:2004205213基金項目:國家自然科學基金項目資助(9

7、0305014作者簡介:楊任剛(1978- , 男, 吉林省舒蘭市人, 碩士研究生. 研究方向:流體工程, 兩相流.1所示。具體組成部分如下:(1 PI V 系統(tǒng)實驗采用的PI V 系統(tǒng)包括光源、采集系統(tǒng)和后處理軟件。光源采用ICT 公司的兩臺Y AG 脈沖激光器, 脈沖激光通過導光臂傳到片光源的透鏡組, 采集系統(tǒng)包括K odak 公司的CC D (Megaplus ES 4. 0, 雙曝光, 分辨率為2048×2048像素, 鏡頭采用Nikon 公司的AF Micro 2Nikon 60mm f/2. 8D 、圖像采集卡(Matrox G enesis G en/F/64/8/ST

8、 D 和計算機一臺。(2 兩相射流流動系統(tǒng)空氣經(jīng)壓縮機壓縮, 通過出口直徑為10mm 收縮噴嘴噴出。示蹤粒子為碳酸鈣(平均粒徑1m 和硅膠(粒徑在100m 左右 的混合粒子, 實驗中加壓將粒子壓入主氣路, 通過調(diào)節(jié)開關控制加入粒子的濃度。射流流場的實驗測量段密閉在很大的有機玻璃罩內(nèi), 噴出的粒子由吸塵器吸出, 并以此控制罩內(nèi)氣壓為常壓。(3 坐標架和控制系統(tǒng)將片光源透鏡組和CC D 相對固定在三維坐標架上測量放大比, 之后即可開始實驗 。圖1實驗裝置示意圖Fig. 1The sketch m ap of the experimental equipment2數(shù)值計算方法對連續(xù)相(氣相 的計算采

9、用RNG k 2湍流模式4。RNG k 2湍流模式是應用重整化群的方法導出的, 該方法應用對等原理于高斯平衡態(tài), 對進行二次展開, 大尺度對渦的影響由無序力來描述, 應用統(tǒng)計物理中研究相變化的方法逐次消除湍流的小尺度。對離散相(固相 的計算采用離散相模型。當顆粒穿過流體運動時, 顆粒的軌跡、傳熱量、質(zhì)量變化等通過當?shù)亓黧w作用于顆粒上的各種平衡作用力、對流/輻射引起的熱量/質(zhì)量交換來計算。當計算顆粒的軌跡時, 跟蹤計算顆粒軌跡的熱量、質(zhì)量、動量的得到和損失, 并將這些物理量作用于隨后的連續(xù)相(氣相 中。而連續(xù)相計算的流場反過來又影響離散相的分布。交替求解離散相和連續(xù)相的控制方程, 直至二者均收斂

10、為止, 這樣就實現(xiàn)了兩相之間的耦合計算。3結(jié)果和討論噴嘴出口內(nèi)徑d =10mm , 拍攝聚焦平面為射流軸對稱面, 每次拍攝的區(qū)域物理大小為66mm ×66mm , 圖像為2048×2048像素, 測量在x/d =6處開始(x 為距噴嘴出口軸向距離 , 噴嘴出口內(nèi)外靜壓差p =0. 002MPa , 通過對實驗段的測量取放大比S =3116×10-2mm/像素。為了用互相關的方法得到速度場, 雙曝光時間間隔為15s 。在氣固兩相流的PI V 測量中, 小粒子(例如1m 的像受衍射的影響, 可能要比粒子的實際體積大幾十倍; 而大于25m 的粒子, 像和粒子實際尺寸相符

11、合6。在本實驗中, 如果粒子的像小于3個像素, 則對應的粒子視為氣相示蹤粒子; 大于3個像素, 則對應的粒子表示顆粒相(區(qū)分大小粒子的閾值可通過自行編制的計算程序控制 。由于所用的硅膠粒子有粘合作用, 所以會有不少大于單個粒子的像出現(xiàn)。3. 1流場速度場3個像素以下的點, 實際粒徑約在3m 以下6, 跟隨性較好, 作為氣相的示蹤粒子, 用它們的圖像來計算氣相的速度;3個像素以上的點視為顆粒相, 用以計算顆粒相的速度和濃度。圖2是以雙曝光兩幅照片中的第一幅為例, 將原始照片分離成只包含小粒子(表示氣相 和只包含大粒子(表示顆粒相 的圖片, 再分別計算各自的速度場和顆粒相的濃度場。圖3是相同條件下

12、用PI V 測量后經(jīng)互相關計算得到的單相氣相和兩相氣相、固相的速度場的矢量分布(網(wǎng)格數(shù)為32×32, 每個網(wǎng)格像素數(shù)為32×32, 流體的速度矢量通過箭頭表示, 其長短表明當?shù)厮俣鹊拇笮??？梢钥闯鲱w粒相的速度方向變化較小, 而氣相的速度場無論是大小還是方向都存在變化, 說明存在著渦結(jié)構。兩相中氣相和單相氣相對比顯示, 對氣固兩相流而言, 由于顆粒的作用, 氣相的湍流特性受到限制。圖4中給出了PI V 實驗測量和數(shù)值模擬計算得 圖2粒子圖像(x/d =6Fig. 2Im ages of p article(x/d =6 圖3單相和兩相速度場對比Fig. 3V elocity

13、 contrast of single 2ph ase and tw o 2phase 圖4兩相軸向速度沿徑向分布(x/d =8Fig. 4Axial velocity profile of tw o 2ph ase(x/d =8到的兩相軸向速度沿徑向的分布, 因為PI V 實驗測量的是瞬時速度, 而數(shù)值模擬只能給出平均速度, 所以兩者之間存在差異, 但是兩者的軸向速度變化呈現(xiàn)出相同的趨勢:在與射流軸線垂直的平面中, 氣固兩相的軸向速度分布不同, 并且存在明顯的滑移速度; 由射流軸線至射流邊緣方向, 固相速度的變化較氣相速度的變化平緩, 氣相速度的梯度較大; 在射流軸線附近, 氣相的速度高于固

14、相速度; 而在射流邊緣附近, 氣相的速度卻降于固相速度之下。3. 2流場濃度場對于PI V 實驗測量的結(jié)果, 將顆粒相圖像分成32×32的網(wǎng)格, 統(tǒng)計每個網(wǎng)格內(nèi)的粒子數(shù)目, 即得到粒子濃度的瞬態(tài)徑向分布, 如圖5所示。對于數(shù)值模擬的結(jié)果, 統(tǒng)計徑向位置粒子的百分比, 也可得到徑向的平均粒子濃度分布, 如圖6所示。圖5和圖6中, 在四個不同軸向位置(x/d =7. 65,9. 30,10. 95,12. 6 上,PI V 實驗測量的瞬態(tài)粒子濃度分布和數(shù)值 模擬的平均粒子濃度都顯示出:射流軸線附近粒子比較密集, 隨著徑向距離的增加粒子數(shù)目逐漸減少, 顆粒相在射流中的擴散小于氣相。 圖5P

15、IV 測量不同軸向位置粒子濃度的徑向分布Fig. 5R adial concentration of different axial positionmeasured byPIV 圖6數(shù)值計算不同軸向位置粒子濃度的徑向分布Fig. 6R adial concentration of different axial positionmeasured by numerical computation圖7給出了整個拍攝區(qū)域內(nèi)PI V 測量的粒子濃度分布。從圖中可以看出, 隨著射流向下游發(fā)展, 顆粒相在徑向上的擴散要小于氣相的擴散; 由于自由射流剪切層的卷吸作用, 粒子流受到兩側(cè)氣相流旋渦的擠壓, 使

16、其在某些位置處的濃度較高, 沿軸線方向并非連續(xù)分布, 而是忽高忽低, 稀疏交替?？偟膩砜? 由于粒子的分散, 其在軸線上的數(shù)量是逐漸減少的。圖7粒子濃度的等值線圖Fig. 7Isoline of p article concentration4結(jié)論作者運用PI V 技術和數(shù)值模擬對氣固兩相自由射流流場特性進行了研究, 得到了如下結(jié)論:(1 PI V 技術實現(xiàn)瞬時場信息的定量測量, 得到清晰的流場圖像。對于氣相和固相, 實驗測量得到瞬態(tài)速度場, 數(shù)值模擬得到平均速度場, 并將兩者進行了對比。同時也得到了粒子濃度的徑向分布;(2 對兩相原始圖片的大小粒子(大粒子代表固相、小粒子代表氣相 圖像進行分

17、離時, 利用自行編制的互相關計算程序設定某個像素閥值(本實驗中設為3個像素 來實現(xiàn);(3 氣固兩相射流中, 固體顆粒的分散度小于氣體; 兩相之間存在明顯的滑移速度。射流軸線附近固相速度小于氣相, 且其速度變化沒有氣相的劇烈。氣相的湍流特性因固相的作用而受到限制, 而固相粒子的濃度分布受射流渦結(jié)構的影響也較大。參考文獻:1G. 魯丁格著, 張遠君譯. 氣體-顆粒流基礎M.北京:國防工業(yè)出版社,1986.2柏實義著, 施寧光等譯, 二相流動, 北京:國防工業(yè)出版社,1985.3LONG MIRE E K, E AT ON J K. S tructure of a particle 2ladenround jet J.J Fluid Mech , 1992, 236:2172257.4CH OUDH URY D. Introduction to the renormalization groupmethod and turbulence m odeling R .Fluent Inc. T echnical Mem orandum T M 2107, 1993.5M ORSI S A , A LEX ANDER A J. An investiga