双帧频试验法在循环流化床实验上的应用

双帧频试验法在循环流化床实验上的应用

不沉降输送循环流产燃烧技术是20世纪80年代开发的一种新燃烧技术。床内固相颗粒的特性是研究循环吞咽流的一般问题。由于流场不均匀、碰撞和其他原因，气、固两相流的旋转现象普遍存在。根据magnetus效应，旋转产生了增加的力，从而影响了其运动轨迹。例如，之所以砂粉可以在不降低维护成本的情况下通过管道传递，旋转升力是其重要因素之一。气、固两相流分布特性以及流场的影响，如袁竹林等。例如，值模拟方法表明，在相同的流化条件下，旋转床的平均间隙比旋转床的平均间隙大。因此，旋转特性的研究对于进一步澄清循环流的气固流动特性具有重要意义。然而，从目前的研究现状来看，大多数研究工作仅限于理论和数值模拟研究，缺乏基本的实验研究。本文利用高帧频的高速数字摄影和绿光脉冲激光对冷态循环流化床内气固两相流中的颗粒旋转特性进行了实验研究.对循环流化床稀相区1/4截面内13个测试点进行拍摄,利用Matlab、PhotoShop和ACDsee软件对获得的拍摄区域的图像序列进行优化和直观分析,并采用统计学方法获得了稀相区截面颗粒平均旋转速度场分布,同时进一步研究了颗粒粒径、线速度和旋转速度三者之间的关系,对于循环流化床气固两相流机理的深入研究及数值模拟具有直接的指导和借鉴意义.1试验设备和实验过程1.1高速照片图像捕获系统本文的主要实验设备包括循环流化床冷态实验台和高速摄影图像捕捉系统.循环流化床冷态实验台主要由上升管、旋风分离器、立管和回料密封装置组成,如图1所示.上升管高4m,正方形截面200mm×200mm.空气经由布风板引入将颗粒流化后,气体携带颗粒进入旋风分离器,在分离器处气固分离,气体经布袋除尘器、引风机和烟囱排入大气,颗粒经返料装置送回主床形成循环.考虑到浓相和过渡区的颗粒浓度太高而影响拍摄,选择了距布风板3.54m处的稀相区截面作为测试区域.高速摄影图像捕捉系统由高速CMOS相机、激光器和计算机组成.所采用的高速数字摄像机是Redlake公司生产的HG-100K型高速CMOS彩色相机(附加接圈),最大分辨率1504×1128,最高帧频达100000fps.考虑到更高的帧频对光强要求太高,在现有激光光强下获得的图像质量较差,本文主要采用5000fps(分辨率640×480)进行拍摄.照明部分采用GL-8绿光灯泵浦固体激光器,激光波长532nm,输出功率最大为8W.高速摄影图像捕捉系统布置如图2所示.利用激光器将片光源投射到循环流化床冷态实验台,在上升管内形成一个纵向光平面.高速CMOS相机从垂直光平面的角度拍摄该平面上测试区域的颗粒图像序列.拍摄过程中,不断调整光圈和焦距,使拍摄的图像清晰.1.2床料粒径分析为了获得清晰的拍摄颗粒图像,实验的床料应具有较好的光学特性,比如高反射率和散射率等.因此采用了纯白透明的反光玻璃珠,球形度70%～80%,折射率1.5～1.6,真实密度2400～2600kg·m-3.考虑到实验测试区域在稀相区,对全部床料和返料装置内床料分别进行了粒径分析,示于表1中.1.3光器的1/4区域上的颗粒运动特性为了研究颗粒旋转在横截面上的分布情况,对循环流化床稀相区高度为3.54m的横截面上13个测点进行了颗粒图像拍摄,这13个测点大致均匀地分布在该截面靠近高速CMOS相机和激光器的1/4区域上(如图3所示,表2给出了各点精确的坐标值),主要基于以下两方面的考虑:(1)理论统计意义上看,循环流化床内颗粒运动在横截面上是前后左右对称分布的,只要研究1/4截面就能获得整个截面的颗粒运动特性;(2)研究整个横截面实验上有难度,远离激光一侧的区域光强比较弱,得到的颗粒图像质量较差,而远离相机一侧的区域得到的颗粒图像会因为相机平面与激光平面内更多的颗粒干扰而变差.为了便于分析,在该横截面上定义了参考坐标系,相机和激光侧的边界交点为坐标原点,相机移动方向(横向)为‘x’轴,激光移动方向为‘y’轴.1.4颗粒转速测量的数据处理要清楚地获得颗粒的旋转信息,拍摄视场不能太大.经过实验前调试,发现当视场范围(横向)≤15mm时就可以基本满足分析要求.在实验中采用6.7mm的视场范围,此时大部分聚焦颗粒的细节都能够被观察到.为保持各个测试点的视场范围不变,实验开始前用一标尺进行视场范围的校准(调整对焦环使标尺清晰成像,视场范围显示为6.7mm),在对各测试点进行拍摄时仅调整物距使测试区域聚焦.仔细观察颗粒图像发现,有一部分颗粒呈现出较明显的形状不规则、表面固定亮斑或图案,这成为判别颗粒旋转的主要依据.考察连续两幅图像中某个有上述特性的颗粒,对该颗粒某一局部特征(不规则凸起、亮斑等)进行跟踪,利用图像软件量取特征点旋转的角度θ,再根据拍摄频率f,就得到了该颗粒的转速n=θf2π(r⋅s−1)n=θf2π(r⋅s-1).采用单一的拍摄频率会出现误判断的情形,举个例子来说,测得某一颗粒在连续两幅图像间隔内旋转的角度θ(0≤θ≤π),那么实际颗粒旋转的角度有可能是±2π+θ,±4π+θ,甚至更一般的2πn+θ(n∈Z).采用双帧频的拍摄方法就可以消除误判断,因为不同的颗粒旋转速度在不同的帧频下表现出的观察转速相等的概率很小.实验中采用了3000fps和5000fps两种拍摄帧频,理论分析表明,当n不是5的整数倍时,双帧频能够作为一个判据验证、消除误判断,n为5的整数倍时,颗粒的转速超过了10000r·s-1,据现有文献来看,可能性不大.获取颗粒转速理论上可以通过计算机编程进行自动识别,事实上却很难.一个突出的问题是计算机如何从大量颗粒中寻找少数有特征的颗粒,这也是今后值得进一步研究的内容.作为初步研究,采用人工直接判别法.由于拍摄频率相对较高,另外拍摄视场范围内颗粒数一般不超过10个,肉眼很容易跟踪图像序列中同一颗粒的轨迹.利用Matlab软件将拍摄到的图像序列进行优化(图像质量较好可略去此步),然后通过ACDSee看图软件进行人工筛选,最后这批有用的图像通过PhotoShop软件读取后进行测量分析,获取颗粒的运动参数.PhotoShop软件功能强大,能同时获取颗粒的象素坐标、粒径以及旋转角度.旋转角度量取相对比较麻烦,首先读取两幅一定时间间隔的图像,进行混合叠加,然后利用直线工具分别画出该颗粒两幅图像中的特征线(比如特征点与颗粒中心的连线),最后用软件中钢笔工具量取角度.获取颗粒运动速度时,在一定时间间隔的两幅图中读取该颗粒的中心象素坐标,计算两点的象素距离,根据标尺转换成实际距离,再除以时间间隔就得到了颗粒的运动速度;对于粒径,利用直线工具直接量取(不规则颗粒做相应修正).2颗粒流率变化所有测试点的拍摄在一个固定的循环流化床工况下进行,床料静止高度H=400mm,操作气速Vg=5.0m·s-1,固体质量循环流率Gs=1.5kg·m-2·s-1,颗粒平均粒径dp=0.5mm.为了获得尽可能多的颗粒信息用于统计分析,对于每个测试点按一定的时间间隔拍摄5组,每组约7000幅颗粒图像,总共拍摄了大约350000幅图像.对每个测试点捕捉约100个不同的颗粒进行分析.为了使选取的颗粒具有代表性,在进行人工判别时尽量宽范围地选取颗粒(粒径、转速和运动速度),同时安排两人进行判别以减小人为误差.2.1颗粒平均旋转速度4/4截面分布图循环流化床气固两相流中固相颗粒普遍存在旋转现象,颗粒转速最高可达2000r·s-1,平均转速300r·s-1.对实验结果进行统计平均就得到了循环流化床内颗粒平均转速在横截面上的分布情况,如图4所示.图4(a)示出了不同y处颗粒测试点颗粒平均转速沿x轴的变化情况,从图中可以发现,颗粒平均转速随x值的增加呈下降趋势(y=5mm靠近边壁除外),并且当y逐渐变大(颗粒逐渐远离边壁)时,颗粒平均转速的下降幅度也逐渐增加,到y=80mm处,下降幅度已经达到了200r·s-1.可以预测,在循环流化床横截面的中心,颗粒平均转速达到最小值,而边壁区始终保持了较高的颗粒平均旋转速度.不过在边壁区没有发现明显的分布规律(y=5mm处,随着x增大颗粒平均旋转速度有上升趋势,但是x=3mm处却忽高忽低).对13个测试点数据进行二维插值拟合后绘制了颗粒平均旋转速度1/4截面分布图,即图4(b).该图更直观地反映了颗粒平均旋转速度的变化趋势,同时发现不仅循环流化床边壁区保持了较高的颗粒平均旋转速度,在边角较大区域内也保持了较高颗粒平均旋转速度.以上实验结果在理论上也是可以解释的:有研究表明,如果流场中有速度梯度存在,使冲刷颗粒的力量不均匀,颗粒将受到一个剪切转矩的作用而发生旋转,速度梯度越大,则颗粒的旋转速度将越大.循环流化床中气固两相流是一个典型环核流动现象,流场中特别是离边壁较近的区域有速度梯度存在,这样边壁区的颗粒受到剪切流作用而发生旋转的概率大大提高,而中心区域的颗粒受到比较均匀的向上冲刷力整体向上流动,颗粒平均旋转速度相对较低.实验结果从一定意义上说明了在循环流化床气固两相流中气流剪切力是影响颗粒旋转的因素之一.另外,循环流化床内颗粒与颗粒、颗粒与壁面的碰撞也是引起颗粒旋转的重要原因,床内边壁区颗粒碰撞比中心区要剧烈,再加上颗粒与壁面碰撞,使得该区总体颗粒转速高于中心区.2.2颗粒粒径的变化前面讲到,循环流化床稀相区截面不同区域流动情况差异是造成颗粒旋转分布不均的主要原因之一,那么在同一区域内颗粒的旋转也会受到颗粒粒径和速度的影响.实验中发现粒径较大的颗粒旋转速度有比较高的,也有比较低的,小颗粒的旋转速度也有类似的情况,这也从一个侧面反映了循环流化床气固两相流中颗粒的湍动、返混以及运动的随机性.但是从大量颗粒统计的结果来看,大颗粒的平均旋转速度普遍比小颗粒低.图5分别绘出了截面边壁和截面中心区域颗粒转速和颗粒粒径的统计分布规律,随着颗粒粒径的增加,颗粒的旋转速度有下降的趋势,但是无法获得准确的关系式.这一结果可以比较简单地解释如下,颗粒悬浮在具有一定速度梯度流场中时,因受到不平衡流体力的作用,可引起转动.由动量矩定理,流体作用于颗粒的冲量矩等于颗粒动量矩的变化,有∫Mdt=I(ω2−ω1)∫Μdt=Ι(ω2-ω1)式中M为气相作用于颗粒的总力矩;I=25mR2Ι=25mR2为颗粒的转动惯量;ω1、ω2分别为作用前后的颗粒旋转角速度.方程左边与颗粒半径R3成正比,右边与颗粒半径R5成正比,在相同的流场条件下,小颗粒受到流场作用力容易得到较高的转速,这使得在流体力的作用下粒径大的颗粒旋转速度小于粒径小的颗粒.图6(a)、(b)分别示出了同一粒径档内颗粒轴向和径向分速度与颗粒转速之间的关系.对于轴向分速度,图6(a)表明颗粒转速随着轴向分速度增加没有明显的变化,认为两者关系不大.对于径向分速度,从图6(b)来看,与颗粒的转速之间有一些不明朗的关系:随着颗粒径向速度的增加,颗粒的旋转速度有增加的趋势.事实上颗粒的径向速度增加,颗粒碰撞壁面或者碰撞其他颗粒的概率就会增加,同时颗粒经历的流场相对比较复杂,从而增大了颗粒提高旋转速度的概率.2.3旋转速度随颗粒形状的变化实验时所采用的颗粒大部分为球形,由于生产工艺问题,存在一部分形状不规则的颗粒.在相同的粒径档内,把球形颗粒和不规则颗粒的统计平均旋转速度作一比较,发现后者的旋转速度明显高于前者,如图7所示.因为颗粒形状不规则,使得各点所受的形状阻力和摩擦阻力不一样.当颗粒不规则时,即使所处流场没有速度梯度,颗粒也会旋转,这是由于颗粒各点所受到的形状阻力和摩擦阻力不一样,不能相抵,故形成了转动力矩,使颗粒产生旋转.在流化床中,实际颗粒的形状通常并不规则,流化床中颗粒的转速应该高于实验中所测转速.3旋转现象突出,转速分布较