氣固兩相自由射流的瞬態(tài)流場(chǎng)研究

1、第19卷第1期實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)V ol. 19,N o. 12005年03月Journal of Experiments in Fluid MechanicsMar. ,2005文章編號(hào):167229897(2005 0120022204氣固兩相自由射流的瞬態(tài)流場(chǎng)研究楊任剛, 張東東, 何楓, 許宏慶(清華大學(xué)工程力學(xué)系, 北京100084摘要:為深入了解氣固兩相流的瞬態(tài)特性, 對(duì)出口內(nèi)徑為10mm 的氣固兩相自由射流流場(chǎng)進(jìn)行了PI V 實(shí)驗(yàn)研究, 同時(shí)應(yīng)用Fluent 軟件對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算加以對(duì)比。對(duì)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的氣固兩相速度場(chǎng)和固相濃度場(chǎng)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(kuò)散小于氣相。關(guān)鍵詞:氣固兩相自由射流; 速度場(chǎng); 濃度場(chǎng)中圖分類號(hào):O358;O353. 5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)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(yàn)性的設(shè)計(jì)3, 但是對(duì)于這種流動(dòng)的機(jī)理還不清楚。用等速管、PDPA 或LDA 等方法只能提供單點(diǎn)粒子的平均流場(chǎng)信息。而噴射過(guò)程中了解粒子濃度的瞬時(shí)分布特性比時(shí)均分布特性更為重要, 因?yàn)樗矔r(shí)粒子濃度對(duì)局部氣體溫度和密度有更大的影響。作者應(yīng)用PI V 技術(shù)采用小粒子和大粒子混合, 用小粒子(1m 示蹤測(cè)量氣

6、相速度, 大粒子(100m 測(cè)量固相速度和濃度, 可以同時(shí)測(cè)量出氣固兩相射流流場(chǎng)的瞬時(shí)速度場(chǎng)和不同粒徑粒子的瞬時(shí)濃度分布。同時(shí)利用Fluent 軟件, 將氣相視為連續(xù)相, 固相視為離散相, 計(jì)算離散相的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí), 根據(jù)離散相沿運(yùn)動(dòng)軌跡的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量的變化, 將這些物理量作用于隨后的連續(xù)相的計(jì)算當(dāng)中。交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程, 進(jìn)行兩相間的雙向耦合計(jì)算, 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證。1實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置包括一套完整的PI V 系統(tǒng)、氣固兩相射流流動(dòng)系統(tǒng)、三維坐標(biāo)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(9

7、0305014作者簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(tái)Y AG 脈沖激光器, 脈沖激光通過(guò)導(dǎo)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(jì)算機(jī)一臺(tái)。(2 兩相射流流動(dòng)系統(tǒng)空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮, 通過(guò)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(shí)驗(yàn)中加壓將粒子壓入主氣路, 通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)控制加入粒子的濃度。射流流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量段密閉在很大的有機(jī)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(biāo)架和控制系統(tǒng)將片光源透鏡組和CC D 相對(duì)固定在三維坐標(biāo)架上測(cè)量放大比, 之后即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn) 。圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1The sketch m ap of the experimental equipment2數(shù)值計(jì)算方法對(duì)連續(xù)相(氣相 的計(jì)算采

9、用RNG k 2湍流模式4。RNG k 2湍流模式是應(yīng)用重整化群的方法導(dǎo)出的, 該方法應(yīng)用對(duì)等原理于高斯平衡態(tài), 對(duì)進(jìn)行二次展開(kāi), 大尺度對(duì)渦的影響由無(wú)序力來(lái)描述, 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理中研究相變化的方法逐次消除湍流的小尺度。對(duì)離散相(固相 的計(jì)算采用離散相模型。當(dāng)顆粒穿過(guò)流體運(yùn)動(dòng)時(shí), 顆粒的軌跡、傳熱量、質(zhì)量變化等通過(guò)當(dāng)?shù)亓黧w作用于顆粒上的各種平衡作用力、對(duì)流/輻射引起的熱量/質(zhì)量交換來(lái)計(jì)算。當(dāng)計(jì)算顆粒的軌跡時(shí), 跟蹤計(jì)算顆粒軌跡的熱量、質(zhì)量、動(dòng)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(jì)算的流場(chǎng)反過(guò)來(lái)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(shí)現(xiàn)了兩相之間的耦合計(jì)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(duì)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(cè)量在x/d =6處開(kāi)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(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)段的測(cè)量取放大比S =3116×10-2mm/像素。為了用互相關(guān)的方法得到速度場(chǎng), 雙曝光時(shí)間間隔為15s 。在氣固兩相流的PI V 測(cè)量中, 小粒子(例如1m 的像受衍射的影響, 可能要比粒子的實(shí)際體積大幾十倍; 而大于25m 的粒子, 像和粒子實(shí)際尺寸相符

11、合6。在本實(shí)驗(yàn)中, 如果粒子的像小于3個(gè)像素, 則對(duì)應(yīng)的粒子視為氣相示蹤粒子; 大于3個(gè)像素, 則對(duì)應(yīng)的粒子表示顆粒相(區(qū)分大小粒子的閾值可通過(guò)自行編制的計(jì)算程序控制 。由于所用的硅膠粒子有粘合作用, 所以會(huì)有不少大于單個(gè)粒子的像出現(xiàn)。3. 1流場(chǎng)速度場(chǎng)3個(gè)像素以下的點(diǎn), 實(shí)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(lái)計(jì)算氣相的速度;3個(gè)像素以上的點(diǎn)視為顆粒相, 用以計(jì)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(jì)算各自的速度場(chǎng)和顆粒相的濃度場(chǎng)。圖3是相同條件下

12、用PI V 測(cè)量后經(jīng)互相關(guān)計(jì)算得到的單相氣相和兩相氣相、固相的速度場(chǎng)的矢量分布(網(wǎng)格數(shù)為32×32, 每個(gè)網(wǎng)格像素?cái)?shù)為32×32, 流體的速度矢量通過(guò)箭頭表示, 其長(zhǎng)短表明當(dāng)?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(chǎng)無(wú)論是大小還是方向都存在變化, 說(shuō)明存在著渦結(jié)構(gòu)。兩相中氣相和單相氣相對(duì)比顯示, 對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬計(jì)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(chǎng)對(duì)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?yàn)镻I V 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是瞬時(shí)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(shì):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(chǎng)濃度場(chǎng)對(duì)于PI V 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果, 將顆粒相圖像分成32×32的網(wǎng)格, 統(tǒng)計(jì)每個(gè)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(duì)于數(shù)值模擬的結(jié)果, 統(tǒng)計(jì)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(gè)不同軸向位置(x/d =7. 65,9. 30,10. 95,12. 6 上,PI V 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(kuò)散小于氣相。 圖5P

15、IV 測(cè)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(jì)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(gè)拍攝區(qū)域內(nèi)PI V 測(cè)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(kuò)散要小于氣相的擴(kuò)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?lái)看, 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(yùn)用PI V 技術(shù)和數(shù)值模擬對(duì)氣固兩相自由射流流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究, 得到了如下結(jié)論:(1 PI V 技術(shù)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)場(chǎng)信息的定量測(cè)量, 得到清晰的流場(chǎng)圖像。對(duì)于氣相和固相, 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到瞬態(tài)速度場(chǎng), 數(shù)值模擬得到平均速度場(chǎng), 并將兩者進(jìn)行了對(duì)比。同時(shí)也得到了粒子濃度的徑向分布;(2 對(duì)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(jìn)行分

17、離時(shí), 利用自行編制的互相關(guān)計(jì)算程序設(shè)定某個(gè)像素閥值(本實(shí)驗(yàn)中設(shè)為3個(gè)像素 來(lái)實(shí)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(méi)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(gòu)的影響也較大。參考文獻(xiàn):1G. 魯丁格著, 張遠(yuǎn)君譯. 氣體-顆粒流基礎(chǔ)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1986.2柏實(shí)義著, 施寧光等譯, 二相流動(dòng), 北京:國(guó)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