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

2、两相射 流中, 固相的分散度小于气相 , 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 Univers

3、ity ,Beijing 100084,ChinaAbstract :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 ol

4、id phase and the concentration 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 j

5、et flow.K ey w ords :gas2s 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 P

6、I V 技术采用小粒子和大粒子混合 , 用小粒子（1 m示 踪测量气相速度 , 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 :2

7、004202225; 修订日期 :2004205213基金项目 :国家自然科学基金项目资助 (90305014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 A

8、F Micro 2Nikon 60mm f/2. 8D 、图像采集卡 (Matrox G enesis G en/F/64/8/ST 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

9、1 实验装置示意图Fig. 1 The sketch m ap of the experimental equipment2 数值计算方法对连续相（气相 的计算采用 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

10、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/

11、 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

12、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

13、。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. 2 Im ages of p article(x/d =6图 3 单相和两相速度场对比Fig. 3 V elocity contrast of single 2ph ase and tw o 2ph ase图 4 两相轴向速度沿径向分布 (x/d =8Fig. 4 Axial 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

14、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

15、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, 随着径向距离的增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 加粒子数目逐渐减少 , 颗粒相在射流中的扩散小于气相图 5 PIV 测量不同轴向位置粒子浓度的径向分布Fig. 5 R adial concentration of different axial position measured byPIV图 6 数值计算不同

16、轴向位置粒子浓度的径向分布Fig. 6 R 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

17、图Fig. 7 Isoline 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

18、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 :1 G. 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,1985.3 LONG MIRE E K, E AT ON J K. S tructure of a particle 2ladenround jet J.J Fluid Mech , 1992, 236:2172257.4 CH OUDH URY D. Introduction to the renormalization groupmethod and turbulence m odeling R .Fluent Inc. T echnical Mem orandum T M 2107, 1993.5 M ORSI S A , A LEX ANDER A J. A