气固两相自由射流的瞬态流场研究

1、第19卷第1期实验流体力学V ol. 19,N o. 12005年03月Journal of Experiments in Fluid MechanicsMar. ,2005文章编号:167229897(2005 0120022204气固两相自由射流的瞬态流场研究杨任刚, 张东东, 何枫, 许宏庆(清华大学工程力学系, 北京100084摘要:为深入了解气固两相流的瞬态特性, 对出口内径为10mm 的气固两相自由射流流场进行了PI V 实验研究, 同时应用Fluent 软件对其进行了数值计算加以对比。对实验和数值计算的气固两相速度场和固相浓度场的分析发现, 气固两相射流中, 固相的分散度小于气相

2、, 两相间存在明显的滑移速度; 固相粒子集中在射流轴线附近, 在射流中的扩散小于气相。关键词:气固两相自由射流; 速度场; 浓度场中图分类号:O358;O353. 5文献标识码: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引言气固两相流的研究在工程中有着十分广泛的应用1,2, 如空气清新器、火箭燃烧喷出的射流、在燃烧器中喷入锅炉的煤粉等。目前已经有一些经验性的设计3, 但是对于这种流动的机理还不清楚。用等速管、PDPA 或LDA 等方法只能提供单点粒子的平均流场信息。而喷射过程中了解粒子浓度的瞬时分布特性比时均分布特性更为重要, 因为瞬时粒子浓度对局部气体温度和密度有更大的影响。作者应用PI V 技术采用小粒子和大粒子混合, 用小粒子(1m 示踪测量气

6、相速度, 大粒子(100m 测量固相速度和浓度, 可以同时测量出气固两相射流流场的瞬时速度场和不同粒径粒子的瞬时浓度分布。同时利用Fluent 软件, 将气相视为连续相, 固相视为离散相, 计算离散相的运动轨迹时, 根据离散相沿运动轨迹的热量、质量、动量的变化, 将这些物理量作用于随后的连续相的计算当中。交替求解离散相与连续相的控制方程, 进行两相间的双向耦合计算, 与实验结果相验证。1实验测量装置实验测量装置包括一套完整的PI V 系统、气固两相射流流动系统、三维坐标架系统和控制系统, 如图收稿日期:2004202225; 修订日期:2004205213基金项目:国家自然科学基金项目资助(9

7、0305014作者简介:杨任刚(1978- , 男, 吉林省舒兰市人, 硕士研究生. 研究方向:流体工程, 两相流.1所示。具体组成部分如下:(1 PI V 系统实验采用的PI V 系统包括光源、采集系统和后处理软件。光源采用ICT 公司的两台Y AG 脉冲激光器, 脉冲激光通过导光臂传到片光源的透镜组, 采集系统包括K odak 公司的CC D (Megaplus ES 4. 0, 双曝光, 分辨率为2048×2048像素, 镜头采用Nikon 公司的AF Micro 2Nikon 60mm f/2. 8D 、图像采集卡(Matrox G enesis G en/F/64/8/ST

8、 D 和计算机一台。(2 两相射流流动系统空气经压缩机压缩, 通过出口直径为10mm 收缩喷嘴喷出。示踪粒子为碳酸钙(平均粒径1m 和硅胶(粒径在100m 左右 的混合粒子, 实验中加压将粒子压入主气路, 通过调节开关控制加入粒子的浓度。射流流场的实验测量段密闭在很大的有机玻璃罩内, 喷出的粒子由吸尘器吸出, 并以此控制罩内气压为常压。(3 坐标架和控制系统将片光源透镜组和CC D 相对固定在三维坐标架上测量放大比, 之后即可开始实验 。图1实验装置示意图Fig. 1The sketch m ap of the experimental equipment2数值计算方法对连续相(气相 的计算采

9、用RNG k 2湍流模式4。RNG k 2湍流模式是应用重整化群的方法导出的, 该方法应用对等原理于高斯平衡态, 对进行二次展开, 大尺度对涡的影响由无序力来描述, 应用统计物理中研究相变化的方法逐次消除湍流的小尺度。对离散相(固相 的计算采用离散相模型。当颗粒穿过流体运动时, 颗粒的轨迹、传热量、质量变化等通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、对流/辐射引起的热量/质量交换来计算。当计算颗粒的轨迹时, 跟踪计算颗粒轨迹的热量、质量、动量的得到和损失, 并将这些物理量作用于随后的连续相(气相 中。而连续相计算的流场反过来又影响离散相的分布。交替求解离散相和连续相的控制方程, 直至二者均收敛

10、为止, 这样就实现了两相之间的耦合计算。3结果和讨论喷嘴出口内径d =10mm , 拍摄聚焦平面为射流轴对称面, 每次拍摄的区域物理大小为66mm ×66mm , 图像为2048×2048像素, 测量在x/d =6处开始(x 为距喷嘴出口轴向距离 , 喷嘴出口内外静压差p =0. 002MPa , 通过对实验段的测量取放大比S =3116×10-2mm/像素。为了用互相关的方法得到速度场, 双曝光时间间隔为15s 。在气固两相流的PI V 测量中, 小粒子(例如1m 的像受衍射的影响, 可能要比粒子的实际体积大几十倍; 而大于25m 的粒子, 像和粒子实际尺寸相符

11、合6。在本实验中, 如果粒子的像小于3个像素, 则对应的粒子视为气相示踪粒子; 大于3个像素, 则对应的粒子表示颗粒相(区分大小粒子的阈值可通过自行编制的计算程序控制 。由于所用的硅胶粒子有粘合作用, 所以会有不少大于单个粒子的像出现。3. 1流场速度场3个像素以下的点, 实际粒径约在3m 以下6, 跟随性较好, 作为气相的示踪粒子, 用它们的图像来计算气相的速度;3个像素以上的点视为颗粒相, 用以计算颗粒相的速度和浓度。图2是以双曝光两幅照片中的第一幅为例, 将原始照片分离成只包含小粒子(表示气相 和只包含大粒子(表示颗粒相 的图片, 再分别计算各自的速度场和颗粒相的浓度场。图3是相同条件下

12、用PI V 测量后经互相关计算得到的单相气相和两相气相、固相的速度场的矢量分布(网格数为32×32, 每个网格像素数为32×32, 流体的速度矢量通过箭头表示, 其长短表明当地速度的大小 。可以看出颗粒相的速度方向变化较小, 而气相的速度场无论是大小还是方向都存在变化, 说明存在着涡结构。两相中气相和单相气相对比显示, 对气固两相流而言, 由于颗粒的作用, 气相的湍流特性受到限制。图4中给出了PI V 实验测量和数值模拟计算得 图2粒子图像(x/d =6Fig. 2Im ages of p article(x/d =6 图3单相和两相速度场对比Fig. 3V elocity

13、 contrast of single 2ph ase and tw o 2phase 图4两相轴向速度沿径向分布(x/d =8Fig. 4Axial velocity profile of tw o 2ph ase(x/d =8到的两相轴向速度沿径向的分布, 因为PI V 实验测量的是瞬时速度, 而数值模拟只能给出平均速度, 所以两者之间存在差异, 但是两者的轴向速度变化呈现出相同的趋势:在与射流轴线垂直的平面中, 气固两相的轴向速度分布不同, 并且存在明显的滑移速度; 由射流轴线至射流边缘方向, 固相速度的变化较气相速度的变化平缓, 气相速度的梯度较大; 在射流轴线附近, 气相的速度高于固

14、相速度; 而在射流边缘附近, 气相的速度却降于固相速度之下。3. 2流场浓度场对于PI V 实验测量的结果, 将颗粒相图像分成32×32的网格, 统计每个网格内的粒子数目, 即得到粒子浓度的瞬态径向分布, 如图5所示。对于数值模拟的结果, 统计径向位置粒子的百分比, 也可得到径向的平均粒子浓度分布, 如图6所示。图5和图6中, 在四个不同轴向位置(x/d =7. 65,9. 30,10. 95,12. 6 上,PI V 实验测量的瞬态粒子浓度分布和数值 模拟的平均粒子浓度都显示出:射流轴线附近粒子比较密集, 随着径向距离的增加粒子数目逐渐减少, 颗粒相在射流中的扩散小于气相。 图5P

15、IV 测量不同轴向位置粒子浓度的径向分布Fig. 5R adial concentration of different axial positionmeasured byPIV 图6数值计算不同轴向位置粒子浓度的径向分布Fig. 6R adial concentration of different axial positionmeasured by numerical computation图7给出了整个拍摄区域内PI V 测量的粒子浓度分布。从图中可以看出, 随着射流向下游发展, 颗粒相在径向上的扩散要小于气相的扩散; 由于自由射流剪切层的卷吸作用, 粒子流受到两侧气相流旋涡的挤压, 使

16、其在某些位置处的浓度较高, 沿轴线方向并非连续分布, 而是忽高忽低, 稀疏交替。总的来看, 由于粒子的分散, 其在轴线上的数量是逐渐减少的。图7粒子浓度的等值线图Fig. 7Isoline of p article concentration4结论作者运用PI V 技术和数值模拟对气固两相自由射流流场特性进行了研究, 得到了如下结论:(1 PI V 技术实现瞬时场信息的定量测量, 得到清晰的流场图像。对于气相和固相, 实验测量得到瞬态速度场, 数值模拟得到平均速度场, 并将两者进行了对比。同时也得到了粒子浓度的径向分布;(2 对两相原始图片的大小粒子(大粒子代表固相、小粒子代表气相 图像进行分

17、离时, 利用自行编制的互相关计算程序设定某个像素阀值(本实验中设为3个像素 来实现;(3 气固两相射流中, 固体颗粒的分散度小于气体; 两相之间存在明显的滑移速度。射流轴线附近固相速度小于气相, 且其速度变化没有气相的剧烈。气相的湍流特性因固相的作用而受到限制, 而固相粒子的浓度分布受射流涡结构的影响也较大。参考文献:1G. 鲁丁格著, 张远君译. 气体-颗粒流基础M.北京:国防工业出版社,1986.2柏实义著, 施宁光等译, 二相流动, 北京:国防工业出版社,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