PIV与PLIF同步测量方法在湍流扩散研究中的应用

1、Piv与PLIF同步测量方法在湍流扩散研究中的应用摘要:为了定量分析湍流中浓度、温度等标量的输运过程,需要同时获取流场空间内速度和标量的脉动值, 以确定湍流扩散特征量。详细介绍了同步应用粒子图像测速与平面激光诱导荧光技术开展测量和数据处理 的方法，并应用该方法获取了槽道内两种流体的湍流扩散通量等特征量研究结果表明，该方法可有效地应 用于湍流扩散研究领域。关键词:粒子图像测速；平面激光诱导荧光；脉动速度；标量输运；湍流扩散Application of Simultaneous PIV and PLIF Measurements inTurbulent Diffusion StudyAbstrac

2、t:To do quantitative analysis for the transport process of scalars in turbulence，such asconcentration and temperature，it is necessary to acquire the velocity and scalar fluctuations value in flow fields at the same time so that to determine characteristics of turbulent diffusion. The methods of meas

3、uring and data processing by application of simultaneous particle image velocimetry ( PIV) and plane laser-induced fluorescence ( PLIF) techniques are introduced in detail. Moreover，the methods are used to obtain the turbulent mass flux of two fluids in the turbulent channel flow. The results show t

4、hat the method can be applied effectively in the field of turbulent diffusion.Key words:particle image velocimetry; plan lasernduced fluorescence; fluctuation velocity;scalar transport； turbulent diffusion随着激光测速和激光诱导荧光技术的发展， 粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV) 和平面激光诱导荧光(Planer Laser-Induced Fluor

5、escence PLIF)技术已广泛应用于湍流与燃烧等 场合下流动介质的速度场测试、结构显示与标量 输运测量等方面。其对推动湍流流动及与之相关 的传热传质过程的研究具有非常重要的意义。PIV和PLIF两者结合可用来同时测量流体 流动空间的速度场和标量场。文献1针对合成 射流，采用PIV和PLIF测试了混合过程中的涡分 布，清晰获得了不同射流参数下涡的特征；文献 2采用PIV和PLIF，同步测量了冲击射流近壁 区的速度场和温度场，得到了冲击区内的湍流热 通量;文献3针对PLIF测量中光强与荧光染料 浓度之间关系的校准方法进行了讨论，并利用新 的校准措施成功开展了对浓度和速度场的PIV与 PLIF

6、同步测量；文献4,采用PIV和PLIF技 术，同步测量了黏弹性壁湍流中的近壁速度和浓 度,得到了黏弹性流体在湍流中的扩散特征;吴浩 玮等人结合PIV与PLIF技术,对燃烧器中燃 油旋流过程进行了测量，取得了流场与燃油分布 的结果。综上所述，国内外应用PIV和PLIF测量技术 的研究较多,但其中有些尚未真正实现两者的同 步测量，且国外已有的相关研究中并未对同步测 量方法本身以及取得湍流通量的数据处理方法做 具体阐述。本文基于PIV和PLIF的测量原理以 及两者各自成熟的测量方法，结合实验装置，具体 介绍开展PIV与PLIF同步测量的方法和实验数 据处理方法,并将其应用于两种不同类型流体的 槽道湍

7、流扩散流动中，用来测定槽道内的脉动流 速、脉动浓度以及湍流扩散传质通量等特征量，为 定量分析湍流中标量输运等过程提供支持。1方法概述PIV技术通过记录某瞬时大量空间点上的速 度信息，用以提供丰富的流场特性与空间结构等 信息,是一种无干扰、瞬时、全场的激光测速法。 它利用测量得到的速度场,可计算出多种物理量, 如脉动速度、速度梯度、涡量场及旋转强度等，已 在流体力学领域得到了广泛应用。PIV测速主要 原理是利用流场中分布的示踪粒子的速度代表其 所在流场内相应位置上流体的速度)。片光源照 射流场中的测试平面，用相机记录多次曝光的粒 子位置，借助图像分析技术即可得到各点粒子的 位移,再由位移和曝光时

8、间可得到各点的速度矢 量。PIV技术主要涉及的设备包括激光光源及控 制、数字图像采集与分析等设备。应用该技术的 主要难点在于对示踪粒子的跟随性能与播撒浓度 的把握以及曝光时间的设置等，一般需要根据实 验介质与平均流速等条件,在校准阶段以粒子图 像质量高、速度矢量相关性好为原则，来确定合适 的粒子浓度与曝光时间。PLIF技术通过记录某瞬时平面空间内激光 诱导荧光的信息从而反馈出浓度、温度、酸碱度等 标量信息，是一种非接触式标量测量方法囱。它 已成功应用于燃烧结构显示与诊断、混合研究、喷 雾分析、污染物的扩散等研究领域。PLIF测量标 量信息都是基于染料受激光照射后发射荧光的性 质而开展的。以测定

9、浓度标量为例，荧光强度会 随荧光染料浓度的变化而变化。如果测得了局部 荧光强度，就能算出染料浓度的局部分布。浓度 与荧光强度存在以下的关系c (; J)|_ B(; J)_ c (; J),( )Eye 只 solution ( 1 /C0H0A0式中:c( ; J)空间位置上的瞬时浓度；C 0基准浓度；研；J)空间位置上的瞬时荧光强度；Ho基准荧光强度。PLIF技术主要涉及的设备有激光光源及控 制设备、滤光镜、数字图像采集与分析设备等。应 用该技术的主要难点在于对荧光染料混合浓度的 把握以及染料跟随性的确定，一般需要在测量前 开展基准实验，建立荧光强度和染料浓度的具体 比例关系。为避免光路中

10、荧光吸收现象的出现, 采用的染料浓度一般较低。此外,还可以根据分 子扩散和湍流扩散的强度来证明染料跟随溶液的 有效性，即短时间内两者的扩散界限不存在大的 差异。PLIF测试系统可与PIV测试系统连接并联 合使用，实现测试平面内标量场和速度场的同时 测量，即为PIV与PLIF的同步测量方法。其已应 用在湍流传热传质、雾化、燃烧等研究领域。 PIV 和PLIF的同步测量的主要原理相对于PIV与 PLIF单体并没有变化，只是需要采用如二向色镜 的分光镜等设备，分离由平面空间内示踪粒子反 射的激光和染料激发出的荧光。通常这两种光的 波长不同,故易于分离和捕获。实现同步测量的 设备即集成PIV与PLIF

11、的系统，需要采用两台相 机分别测量同一瞬时的粒子运动和荧光强度图 像。另外，同步器需要同时控制两台相机和激光 器，其他设备不变。2测量装置及其设置试验针对某一透明有机玻璃材质的二维槽 道内的湍流流动展开。测试面为槽道中心沿流 向T垂直壁面方向（；J）的平面。该同步测量系 统如图1所示。采用双脉冲激光器（Nd： YAG， 30 mJ/pulse，532 nm），激光片光厚度为 1 mm， 传播角为20。使用两台相同的CCD相机（电 荷耦合,2 048像素x2 048像素），分别拍摄测 试平面内粒子位移与荧光分布的图像，与同步 器相连并在同一时间触发。此外，两台相机的 安装轴线相互垂直，其交线位置

12、布置一个与它 们成45。角的二向色镜，其允许波长在569 -730 nm范围内的荧光通过，如此可分开由槽道流动 中示踪粒子散射的激光，以及从槽道侧面注入 的被染料染色溶液激发出的荧光。.观察窗同步器CCD相机-1 (PIV)Nd:YAG激光器CCD相机-2 (PLIF)注入壁面40 mm分光镜zA x固定板图1 PIV与PLIF同步测量系统示意试验测试段为6.00 m X0.50 m X 0.04 m （长X宽X高）的矩形槽道，其一侧布置有 1.65 m x0. 50 m x 0. 001 7 m（长 X 宽 X 厚）、孔 径为150 !m的多孔不锈钢丝网烧结层压板，其 渗出面与槽道内表面保持

13、水平。多孔板与密封腔 室连接用来向槽道注入染色的水或溶液。槽道内 流量由安装在测试段上游的电磁流量计监测，其 测量精度为0.01 m3/min,槽道内循环流体温度 保持在25 0.5 d %测试中，添加聚乙烯粒子作 为示踪粒子,其平均粒径为20 !m，相对密度为 0.92，并采用合适浓度以得到清晰的速度图像% 同时，为获取荧光图像，注入的水或溶液均被染 色，采用的染料为无毒、非致癌性罗丹明VT系 列，混入溶液后的质量浓度为5 mg/L，能在532 nm波长的激光诱导下发射出580 nm长的荧光测试过程中，槽道内监测的流量约为0.016 m3/s，对应槽道内的平均流速为0. 82 m/s%基 于

14、槽道的高度（24,40 mm）和水的黏度，槽道内 流动的雷诺数接近40 000%试验中湍流流动介 质为水此外，因高分子聚合物溶液具黏弹性， 与湍流流动耦合作用后能表现出不同于一般牛 顿流体的扩散特征，故测试中从槽道多孔壁面 分别注入水和水溶性高分子聚合物溶液，注入 速度约为2.9 X10-4 m/s，用作对比分析，以验 证采用同步测量方法在湍流扩散领域应用的可 行性与准确性所采用的聚合物是由日本Seika公司生产的 PEO-18Z粉末，主要成分为聚氧化乙烯，分子量约 为4.3 X106 %通过在去离子水中溶解，配置成质 量浓度为50 mg/L的聚合物溶液，其有效性和可 重复特性在试验中得到了严

15、格的保证关于荧光 强度与染料浓度之间的关系，经原位校准，发现对 于50 mg/L的聚合物溶液和水，在本试验的染料 浓度条件下,其诱导荧光在测试光路中无明显衰 减，聚合物浓度与荧光强度成正比,比例系数经回 归约为120 %3同步测量数据的处理采用互相关技术处理同步测量获取的piv图 像，交互区为64像素x64像素，并基于每个垂直 壁面位置上62 500（ 125 x500）个速度矢量进行 湍流统计分析。通过对所有采集的瞬时piv图像 样本做系综平均，可以得到每个速度矢量位置上 的平均速度,从而可以得到每幅瞬时图像中每个 速度矢量位置上的脉动速度值plif图像的大小和数量与piv图像设置一 致（本

16、文中均取500幅瞬时图像），但采集到的信 息为有效范围内2 048 x2 048个像素点及各像素 点上的荧光强度。进行同步测量数据处理时，为 保证采集到与速度对应同一个位置的浓度，在分 析处理PLIF图像时，取围绕速度位置点临近5 x 5个像素点荧光强度值的平均值为该速度位置点 的荧光强度值。该处理方法的示意图如图2所 示。图2中黑点即为速度矢量位置。根据该设想，结合plif校准测试中所得到的 荧光强度与染色浓度的线性关系，通过自编程序 处理，即可得到每幅瞬时图像中各速度矢量位置 上的浓度值及其系综平均值，从而可以得到平均 浓度和瞬时脉动浓度场。利用与上述时间对应的瞬时脉动速度场和瞬 时脉动浓

17、度场，就可以计算出湍流扩散的特征量, 以实现真正意义上同步测量数据的应用。4应用与结果4.1平均速度和浓度图3和图4分别给出了应用同步测量方法得 到的槽道截面内平均流向速度和注入溶液在垂直 壁面方向上的平均浓度分布。图3中的纵坐标为 基于槽道内平均速度（5=）做无量纲化的平均流 向速度;图4中的纵坐标C/C0代表基于注入水或 溶液最大荧光强度值计算的无量纲平均浓度值。图3槽道截面上不同类型流体的平均流向速度分布图4垂直壁面方向不同类型流体的平均浓度分布由图3可以看出，槽道中呈抛物线分布的平 均流向速度,经积分可求得槽道内截面上平均速 度为0.82 m/s。该结果与试验槽道内通过流量 反算的平均

18、流速一致。这也证明了测量结果及该 同步测量方法的可靠性。此外，对比发现,靠近多 孔壁面处，注入聚合物溶液的平均速度分布略大 于注入水流的平均速度，这与黏弹性的高分子聚 合物溶液造成的湍流减阻现象一致。黏弹性溶液 抑制近壁涡结构，使得近壁区域内流体脉动速度 倾向于以流向方向为主导,从而改变了近壁区域 的速度分布。槽道另一侧壁面附近的流体因注入 聚合物溶液扩散较慢并未受到影响,速度分布与 注水条件下相同。由图4可以看出，在注入聚合物溶液的条件 下,溶液的平均浓度在近壁处梯度很大，且其近壁 的无量纲平均浓度明显高于注水条件下的值，而 注入的水在垂直壁面方向整体平均浓度梯度较小 且很平稳。这表明，与水

19、相比，聚合物溶液在槽道 湍流中的扩散较慢。究其原因，同样是受黏弹性 溶液抑制了湍流涡结构的影响。这些定性结果与 文献4/5中的报道一致，反映了同步测量中标量 测定结果的可靠性。4.2脉动速度与浓度图5给出了注入水和聚合物溶液条件下测量 平面内典型瞬时流向与垂直壁面方向的脉动速度 和量与脉动浓度图。图5中的云值即为该瞬间各 矢量位置上的无量纲脉动浓度值由图5( a)可知，在注水的槽道中，速度矢量 反映出了丰富的涡结构信息，且注入的被染色的 水分布在全场，表现为各处脉动浓度均有较大的 值。由图5( b)可知，受注入聚合物溶液的影响, 槽道湍流中近壁涡结构得到一定程度的抑制，聚 合物的扩散也受抑制，在远离壁面位置，脉动浓度 值较小。由此可见，应用同步测量方法，可以很方 便地获取能反应流动结构和浓度标量瞬时分布的 信息，便于查明两者的相互作用机制与影响。图5测量平面内不同类型流体的脉动 速度矢量和脉动浓度4.3湍流扩散的质通量湍流质通量由测量所得的平面内相同位置脉 动浓度值与脉动速度值相乘而得，随后结合所有