示综粒子问题

1、对于湍流中粒子的跟随性问题的研究，大多以 BBO（Basset-Boussinesq-Oseen）方程为基础，利用流体与颗粒速度的 Fourier积分来推求悬浮颗粒与流体速度的幅值比和相位差0,并把n 和作为跟随性的判别指标。则简化无量纲BB。方程为：Ot I3 ）竺=壬 O | 1 *2 -Ur12dt 61出S）耳哮浩 （17）式中:山和T为已知的特征值和准数，从式（14）可以看 出八其实就是粒子与流场的速度幅值比L五？就是粒 子与流体的密度比。选用粒子与流场的速度幅值比W 来反映粒子的跟随性.本文定义跟随性函数为：F =弓=甲| S ）（18）F的值越接近于k粒子的速度越接近于流场速度即

2、粒了的跟随性越好。当背景流场的运动信息为已知 时町以求得以上跟随性方程的唯一确定解，因而可以得 出密度比责对跟随性的影响.并且,对于已知背景的流场（即密度P”黏性系数向和运动信息乌己知）,由式（14 ）及特征肘间的定义可以将跟随性函数18 ）变形为：F =弓=咒（与羿）（19）因此利用式（18 ）也可以很方便地分析粒子粒径对 跟随性的影响.(2-4)(2-4)式中：“深嬴?队自”湍那房；为黏性系数 0为粒子与流体密度比：Q.为流体密度；4为粒子直径。但是对于BBO方程，有6个限制条件：流场空间无限；球形粒子直径很小，流体和 颗粒相对速度的雷诺数大大小于1;颗粒粒径应小于K。加。gorov微尺度

3、以致颗粒与流体水湍流Pf = 1 000 kg/h?,黏性系数M = 1. 72X 10 kg/tn s分析粒子粒径范围取为= I 20 空气中 Pr = 1. 293 kg4n F = 1. 709X 1() - kg/his, 粒径范围取为dp =Q 2 2 Mm表2空气湍流中儿种示踪粒子的跟随性函数Table 2 Folbw ing function value of several kinds of particle tracers in atnospheric turbulence粒子二氧化钛铝粉烟硅油水滴DOP气溶胶乙二酵蒸汽顷）3 5002 0801 830900800797a

4、463dp册m跟随性F1. 000 01. 000 0I. 000 01. 000 01. 000 01. 000 01. 000 04Q 999 80.999 9a 999 91. 000 01. 000 01. 000 01. 000 06Q 999 30. 999 7a 999 8a 999 9a 999 90. 999 91. 000 08a 997 90. 999 2a 999 3a 999 8a 999 80. 999 81. 000 010a 995 10. 998 1a 998 5a 999 5a 999 60. 999 61. 000 012a 990 20. 996 2a

5、9卯oa 999 1a 999 30. 999 31. 000 014a 982 50.993 3a 994 7a 998 4a 998 70. 998 71. 000 016a 971 10. 988 8a 991 2a 997 5a 997 90. 997 91. 000 018a 955 50.982 6a 986 2a 996 1a 996 80. 996 81. 000 020a 935 10. 974 3a 979 6a 994 2a 995 30. 995 31. 000 0表1粒子半径口与 S的关系 TOC o 1-5 h z Tab 1 Relationshqj betive

6、en par tick radius andsa /m10- 6lb $10- 4跟随时间 L OX KT 6 1 02( 10-4 1. OX 10-1. 02滞后距离尚】2 X IO* 2 X Of 2 X KT 0 22v.注：表中Uq单位为m /s表1气体流场中常用的示踪粒子Tab. 1 Tracing particles used in researching flow fields类型物质平均直径*m固体聚苯乙烯铝镁 玻璃球 合成棉颗粒 二氧化肽0.5-102 72 530 100 10-505 20烟 1,0时，则表示 粒子的运动超前于流体的运动；当n v 1,。v o时，则粒子

7、的运 动滞后于流体的运动。因此，只要给出n和。的表达式，就可以定 量估计粒子与流体的偏离程度4 5.以文献10为例，试验采用的示踪粒子是白色A12O3,粒子密 度为(3. 94. 0) X 10 kg/m3,粒子直径为1. 768. 00 M m;随湍流频率增大，跟随性变差，尤其在高湍流频率下，跟随性变 差更加显著。在有燃烧的热态速度场测量中对示踪粒子的基本要求是：Q) 对气流的追随性好，(2 )耐高温，(3 )不易结团，(4 )透光性好， (5 )有较好的颗粒球形度等。最终选择耐高温的a型氧化铝(A 120 3 ) 粉，其粒径在3炉n左右.考虑到火焰的高温特性和气体的密度，常用于火焰的示踪粒

8、子有 A 1203、T i02 、Z r 02、M g 0等，粒径一般在5-10/m o 实验 初期分别采用A 12 03和Si02作为示踪粒子，但由于其粒径和密度 均比较大，而本实验中气体流速小，携带粒子能力弱，因此使粒子 的跟随性较差，不能满足PIV测量的要求.最后在实验中选择了粒 径约2炉n左右的SiC作为示踪粒子，其密度为3. 22 g/cn?。在2600C时分解,其在低速流中也具有较好的跟随性.表1热态流场常用示踪粒子特性粒子物性鼐点(C)密度(g/cm3)SiC26003.22AI2O320504.0MgO28003.58TiO218504.26Zr。？26775.56表2.2火焰

9、流场常用示踪粒子跟随性计算值粒子ZrO2TiO?AI2OMgOSiCSiO2烟硅油密度5.564.264.003.583.222.662.371.16直径跟随性20.99880.99920.99930.99940.99950.99980.99970.999940.98220.98920.99040.99220.99360.99670.99680.999060.92100.95060.95590.96390.97020.98440.98300.995380.80240.86750.88020.90000.91630.95480.95090.9864100.65530.74780.76770.80

10、040.82860.90160.89370.9690120.51850.61900.64250.68290.71980.82550.81310.9404140.40900.50350.52700.56880.60870.73500.71920.8994160.32610.40950.43100.47020.50890.64150.62390.84681.2468101214161820粒渣 pm )图2-1流场中跟随性F与粒子直径d的关系在考虑跟随性和散射性之后，需要考虑粒子的安全性和经济性，因为是开阔的空气 流场，粒子必须是无毒害的。而且本实验粒子的需求量很大，需要考虑到粒子的经济性。 最终

11、选择了粒径为15微米的SiO2粒子，表21显示其密度为2.26,从表2.2中得到其跟随 性在0.99以上，满足跟随性条件。其粒径相对来说，比较适中，颜色为白色，散射性较 好，又因为无毒，价格低廉，其熔点为1670C,在流场中不参与反应，满足本实验的要 求。r/ I u - 辛实验中采用了两种示踪方式。(1)固体粉末不 踪，采用耐高温的固体二氧化硅粉末，其索太尔平均 直径为6微米，可对全流场进行流动示踪；(2)雾 化硅油示踪，型号为201-10的二甲基硅氧烷由美国 Sunrisemedical医用雾化器进行雾化,其雾化粒度为 索太尔平均直径3.6微米。液滴在火焰面附近挥发， 因而只对反应物流场进

12、行示踪。在实验的过程中反复使用各种示踪粒子，发现A，。，较Mg()、Ca()要好，试验过程中所使用的 示踪粒子是Al/)-,粒径为2 5 punoSeeding the flow with 0.9-2.2；zmAI2O3 particles.For the combined PIV/PTV approach, dry MgO with a meandiameter of about 1 炉n was used as seed material.以piv和dpiv为代衣的粒了示踪全场光学测量属TE直接测量技术，是以测 量的粒子运动来代表流场的运动因此，在全场光学测量技术中，有两个关键主 导因素：

13、一个是良好的相干光源。激光只有良好的相干性和甲色性，因此，在全 场光学测量系统中激光器就无可替代的成为了光源的最佳选择，这己经达成了共 识；另一个就是示踪粒子，在示踪粒子的选择方而还没有确定的尺度，这】:要是 由于在不同条件卜对示踪粒于的要求的不同o实际上，示踪粒子大小的选择要从三个方面来考虑：粒子的成像可见性即 粒子散射特性)；粒子的流动跟随性；粒子散布均匀度和浓度要求。对于跟随性 而言，一般认为粒了直径越小越好，可是，粒子的成像可见性却与其相反。因此, 如何正确地为全场光学测量找到一个比较合理的粒子选择标准是一项很有价值 的研究工作。0.5 um alumina particles ( C

14、ombustion instability of a leanpremixed prevaporized gas turbine combustor studied usingphase-averaged PIV)Silicon oil droplets with an average diameter of 1 um produced(Lean premixed opposed jet flames in fractal grid generatedmultiscale turbulence )Si02 particles with 1 um ( Simultaneous dual-plan

15、e CHPUF, single-plane OH PLIF and dual-plane stereoscopic PIV measurements in methane-airturbulent premixed flames )0.3 um aluminum oxide particles was simultaneously imaged onto the cameras, (Influence of combustion on principal strain-rate transport in turbulent premixed flames ) The size of the t

16、racing particle MgO is less than 8 um so that the tracing characteristic and scattering area are optimal at the same time. ( Experimental study of flow dynamics and fuel spray characteristics in Lean Premixed Prevaporized Combustor )Scatter particles (TiO2) with a diameter of 0.8 |im that are small

17、enough to follow the large structure turbulence up to 1 kHz were added to the air flow.( Experimental investigations of an oscillating lean premixed CH4/air swirl flame in a gas turbine model combustor) oThe laser beams were expanded by the laser sheet fbnimig optics, and were scattered by 2 ixm SiO2 paiticles mixed ill the methane-air premixed gas. (Large-Scale Vortical Motion and Pressure Fluctuation in Noise-Controlled Swirl-Stabilized Turbulent Premixed Flame) During a data acquisition run, approximately 4% of th