受限空间内射流影响下主流内气固两相流动实验研究

傅 耀 ,王 彤 ,陈锦成,谷传纲,许 峰

(上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海 200240)

0 引 言

在轴流式或离心式压缩机的实际运作中,常遇到气体工质中夹杂固体颗粒的问题。由于旋转机械叶片绝对速度高,而固体颗粒在其惯性影响下,在流道内无法完全跟随气体运动轨迹,可能与叶片表面发生碰撞,造成叶片磨损和破坏,这样的现象被称为“砂蚀”[1]。砂蚀现象会造成机组工作效率降低,甚至造成叶片破裂、机器损毁的严重事故。傅耀、王彤等[2]通过CFD计算结合理论分析发现,壁面射流能够在流道不同位置产生局部的高/低浓度区,并沿流动方向具有持续效果,为颗粒的分离提供必要条件,是一种有望用于惯性粒子分离器和流体机械中,强化颗粒分离、保护机器的主动控制方法。

Wicker[3]等进行了自由射流内的气固两相流动的试验研究,通过研究不同粒径颗粒在自由射流涡结构中的分布,指导燃烧室燃料喷射,达到稳定火焰结构的目的。Linscinsky[4]等进行了带主流条件下的单相射流掺混结构研究,针对射流孔直径、射流流量等参数对掺混效果的影响进行了详细分析,指导燃气轮机燃烧室出口掺混降温技术的相关参数优化问题。而针对受限空间内带主流条件下的两相射流结构的研究,就作者所知,尚没有相关试验结果发表。而该流动结构正是惯性粒子分离器或带有颗粒的流体机械流道内的流动模型,研究该流动具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

为此,搭建了带主流矩形受限空间内射流影响下的气固两相流动实验台,并使用PIV测量系统进行了测量,获得了流场内的涡结构信息,并分析不同粒径颗粒在射流影响下的时均分布情况。

1 实验台搭建

常见的气固两相流动实验台为纵向实验台,如文献[5-6]中在研究气固两相流动中使用的实验台。这样的处理在研究湍流场内颗粒分布时,能够从时均效果上避免颗粒的切割流线效应(cross-trajectory effect[7])的影响,使颗粒在湍流场内的分布和颗粒耗散主要通过惯性效应起作用。在高颗粒浓度的气固两相实验台中,纵向通道能够防止颗粒在重力作用下聚集于固体壁面,造成堆积或流道堵塞,防止颗粒在流道内的严重不均匀分布情况。

但是纵向实验台会造成实验台搭建、实验操作上的难度,并且在实验空间上受到很大的限制。因此尝试建立横向的实验台,通过合理的实验台设计方案,在横向实验段中使颗粒能够分布在整个实验通道内,形成较均匀的分布。通过文献[2]的数值计算和理论分析,当主流速度超过10m/s时,在1m长的横向实验通道内,重力作用对颗粒分布的影响,相比射流的影响可以忽略。搭建实验台示意图如图1所示。

图1 实验台示意图Fig.1 Schematic of the experimental tunnel apparatus

使用入口流量计测量试验通道内的主流气流流量。气流经转向通道进入上行通道中,颗粒通过上行通道壁面所设置的给粉管进入试验通道。颗粒在进入上行通道时具有沿给粉管方向向下的速度,在空气的曳力作用下,随气流转而向上方运动。在上行通道中设置多层隔栅网,使颗粒能够与气流充分混合。气固混合流经转向通道,进入实验台横向部分。在转向通道内,由于颗粒的惯性作用,颗粒的分布将聚集于通道上壁面附近,此时颗粒群具有较大的平均高度。在重力作用下,沿横向运动方向,颗粒群的平均高度将有所下降。但是单独依靠重力作用降低颗粒群平均高度需要提供长通道,且该作用不可调。因此,在横向通道内设置了多层隔栅网,使颗粒群在与隔栅网的碰撞过程中强化分布均匀化。横向通道中的隔栅网数量和位置是调整颗粒在实验段内分布的主要手段。通过多次的尝试,发现在横向过渡段中架设5层隔栅网,间距100mm是比较理想的处理方式,能够在实验过程中无需进一步调整隔栅网,达到无射流条件下不同粒径颗粒分布均匀的条件。详细测量结果见3.3节。

携带颗粒的气体经圆转方改变通道形状,然后进入隔栅,颗粒进入实验段的纵向位置在此确定,同时颗粒的纵向速度在隔栅中受到抑制,可认为颗粒在进入通道时不具有纵向的时均速度,以与主流速度一致的方向进入试验段。实验通道长宽高L×W×H=1000mm×300mm×80mm。将长宽高方向分别定义为X,Y,Z方向,以实验段入口面下边界中心位置为坐标原点,建立三维坐标。在通道底部中点位置(X=500mm)设置直径D=10mm的射流孔。射流气体在大气压力的作用下垂直进入实验段,射流速度由射流管入口的阻流片进行控制。

携带颗粒的气流受到射流的影响后经风机排出,颗粒在风机出口采用布袋捕捉防止污染环境。

2 实验设备

以丹麦DANTEC公司数字式二维PIV激光流场测量系统为主要实验测量设备。该系统包括片光源系统、图像拍摄系统、信号处理系统、同步控制系统和FLOWMAP后处理软件等。PIV系统的激光器为双谐振脉冲式Nd：YAG激光器,最大工作频率10Hz,每个脉冲能量 200mJ,激光波长 532nm(绿光),片光源厚度1mm,张角14°。CCD相机像素为4000×2096。拍摄平面为流道对称截面Y=0截面。

实验中共使用4种固体颗粒,其参数如表1所示。其中P1颗粒粒径参数由生产厂商提供,该颗粒具有极小的速度松弛时间,作为极小粒径颗粒进行颗粒分布的分析,同时也作为示踪粒子进行流场测量。3种玻璃微珠的粒径参数采用Beckman Coulter公司的LS13 320颗粒粒径分析仪进行分析。

表1 实验颗粒参数表Tabel 1 Parameters of different classes of particles

3 实验结果分析

实验内容包括PIV互相关计算实验,无射流/带射流条件下的颗粒分布实验及揭示流场瞬态涡结构的流动显示实验。

由于本次实验中拍摄时的空间放大率为38.8m/pixel。在流道内,示踪粒子与颗粒的光斑没有明显的大小区别。如果同时添加示踪粒子和固体颗粒将无法通过图片处理区分不同颗粒,因此实验中采取分别添加示踪粒子和固体颗粒的方式进行实验。这种处理方法可行的前提是颗粒浓度足够低,不会对流场产生明显影响。

实验中针对不同种类的颗粒采取相同的颗粒质量流量进行颗粒添加,0.74g/s。折算为颗粒体积浓度为0.9‰,属于气固两相流动中的稀相流动范围。

3.1 气流场互相关计算结果

设定跨帧延时60μ s,对带射流/无射流条件下的流道中截面分别拍摄200对照片,并进行PIV互相关计算,查询区大小为 32pixel×32pixel,50%重叠区,采用3重迭代算法增加计算稳定性,使用变形窗口算法增强高速度梯度区域的计算精确度。经计算发现,受到固体壁面透射/反射光的影响,在壁面附近的互相关计算结果存在较大误差。而主要关心的是射流对主流区域内的气流运动和颗粒分布的影响,因此可以删除壁面附近的结果。

对带射流/无射流条件两种情况下的200对照片的瞬态结果分别进行平均处理后,可得流道对称截面上的时均速度。取不同主流位置上沿高度Z方向的主流方向和垂直方向速度分布如图2所示。

图2 时均流场计算结果Fig.2 Mean fluid velocity from correlation calculation

由图2可见,无射流条件下,通道内拍摄段气流基本达到均匀流动状态。表现为垂直方向速度基本为0,主流方向速度分布均匀。射流对射流孔上游1D位置(X=490mm)的气流场产生了一定影响,包括主流方向上以流道中心高度为区隔,通道上部速度有所增加,通道下部速度减小。垂直方向上受到射流影响,通过流体的粘性作用,在通道内形成了向上方运动的速度。在受到壁面射流影响后,由图2(a)观察,气流场在射流结构尾部、下壁面附近形成了明显的主流方向低速区,对应区域内的V速度有所增加,通过计算合速度发现该区域内的气流速度较低,形成了流道内的低速区。同时通道上方的主流速度略有增大。观察减速区域与增速区域的交界位置,如图2(a)中所示,发现该位置在射流孔后逐渐由下壁面附近向通道中间位置移动,也就是说随着流动向下游发展,低速区范围逐步增大。通道内的主流速度极小值位置也向通道中心移动,同时极小值绝对值增加。射流的影响在流道内形成了明显的主流速度梯度,随着流动进一步向下游发展,在气体粘性的影响下,射流的影响逐步耗散,气流逐步恢复均匀流动状态。在射流孔下游15D位置后,气流速度受到射流的影响逐渐减小并逐渐趋于恢复充分发展流动的特征。由垂直方向速度图可见,受到流动上壁面的限制,气流的垂直速度受到射流影响的范围相对较小。速度V极大值位置,始终位于通道下方Z＜2D的范围内。

3.2 不同粒径颗粒在带射流/无射流条件下的时均分布

采取1Hz拍摄频率,每组拍摄20张流道内颗粒分布图片,在同一条件下拍摄10组,共200张图片,记录下200个瞬时的平面颗粒分布,计算图片组中每个象素点的灰度方差并将该方差矩阵写成图片形式,如图3所示(为清晰图片做了反色处理)。图片组的灰度方差能够将图片组内的所有颗粒信息叠加,通过观察分析该灰度方差图片,可直观分析颗粒在流道内的时均浓度分布。由图3可见,通过合理调整实验段前的平稳过渡通道内的隔栅网数量,能够在横向布置的实验段中,使不同粒径颗粒均匀充满整个通道高度,颗粒不会在重力作用下大量聚集于下壁面附近,在通道内形成较均匀的分布。在带射流条件下,同样工况的流场内,假设不同粒径颗粒的添加不会对时均流场产生明显影响,记录200个瞬时的流道对称截面内,得到同一流场下的不同颗粒分布,并统计,结果如图4所示。

由图4可见,不同粒径的颗粒在射流影响下,时均分布表现出非常明显的差异。其中作为示踪粒子的P1颗粒,在射流局部快速响应局部速度变化形成局部低浓度区域,但随着涡旋结构的破裂迅速在下游通道重新恢复均匀分布。在流场形成的射流孔下游低速区结构内,P1颗粒形成了明显的颗粒聚集现象。由于P1颗粒跟随流体运动的能力强,在流体低速区内,通过颗粒与流体间的曳力作用,颗粒动能明显降低,并在下壁面附近形成明显的聚集。

P2颗粒受到射流的影响最大,由射流孔位置开始形成了具有清晰边界的低浓度区域。该区域在高度方向上能够占据整个通道约1/3的高度。同时与P1颗粒类似,在低速区内,P2颗粒也形成了一定的聚集,但其范围小,主要发生在射流孔下游的下壁面附近的范围内。这是由于P2颗粒惯性相比P1颗粒较大,只有位于低速区固体边界层内的P2颗粒才会发生明显的动能降低,并聚集于下壁面附近。大部分的P2颗粒受到射流冲击后不会进入低速区范围内,而进入通道上半部分的流动通道内,并向下游运动。

P3颗粒在射流影响下,也能够产生明显的低浓度区域,但是该区域与P2颗粒相比范围更小,低浓度区起始位置也位于更下游的位置。射流孔下游下壁面无明显颗粒聚集。

P4颗粒是该实验中所使用颗粒中平均粒径最大的颗粒。颗粒的大惯性起到决定性影响。在射流流场内,颗粒几乎不受到射流的影响,直接穿越射流涡结构,保持原有运动状态向下游运动。颗粒的分布与无射流条件下无明显区别。

图3 无射流条件下的不同粒径颗粒的图片组灰度方差图Fig.3 Intensity variance of particle image classes without jet effect

图4 带射流条件下的不同粒径颗粒的图片组灰度方差图Fig.4 Intensity variance of particle image classes with jet effect

由上述分析可见,不含有颗粒的射流在主流内形成了一道阻碍颗粒的气流屏障。对极小尺度的颗粒,在射流孔附近的小区域内,小颗粒无法进入,但颗粒能够通过气流场的湍流扩散作用绕过该屏障进入射流下游的流道区域内。对大颗粒,可直接穿越该气流屏障进入下游流道。而P2,P3颗粒作为主要关心的10μ m量级小尺度颗粒,在气流屏障的影响下表现出了特殊的分布特性。在射流孔局部响应射流的影响,在气体曳力作用下,产生向通道上方运动的趋势,无法穿越气流屏障。同时,当流场内的射流影响沿流动发展快速耗散时,P2,P3颗粒无法像P1颗粒那样快速响应下游流场内的小尺度涡结构所产生的湍流扩散作用。因此P2,P3颗粒在流道内形成并保持了明显的低浓度区,在气流场中的射流影响逐步耗散后,该低浓度区依然保持。

可见作为一种主动控制手段,壁面射流在有效颗粒粒径上具有选择性,对极小颗粒仅在射流孔局部发生影响;而大颗粒则能够直接穿越射流结构,不受其影响;只有对10μ m量级颗粒的时均分布发生明显影响。

在进一步的研究工作中,为了量化分析射流扰动对颗粒分布的影响,将尝试在该流动模型中建立流场特征参数(如Rem、Rej或射流主流速度比R=Vj/Vc)与颗粒特征参数(如τv)之间的相互关系,并指导工程实际应用。通过合理调整壁面射流相关参数,有望在工程上实现具有针对性的小粒径分布控制。

3.3 瞬态流场及颗粒分布

在流道内添加纳米级二氧化钛颗粒,并利用PIV系统记录下流场内的瞬态示踪粒子分布,能够得到瞬态流动显示图片,选取其中一幅图片的射流孔附近局部放大图片如图5(a)所示,图5(b)为文献[8]中观察自由射流涡结构的典型结构。

对图5(a)中的图片进行互相关计算,得到二维速度矢量,并计算平面涡量

做平面速度矢量图和平面涡量云图,如图6所示。

由图5(a)可见,在主流影响下的受限空间射流在出口局部形成了非常清晰的拟序涡结构。在射流结构主流侧出现连续的逆时针卷吸涡。在图6的互相关计算结果中表现为射流孔附近的连续数个正涡量区域。同时对流场显示图片中无法清晰观察的射流孔下游低速区域,也可从图6中观察到其中的流场情况。低速区内存在主流方向瞬时速度u≤0的情况,说明流体在该区域内表现出强烈的湍流现象,发生滞止与逆流。整个射流结构表现为正负平面涡量的分布状态。随着流动向下游发展,出现连续的涡结构发生和脱落现象,在过程中伴随着主流与射流之间的掺混。

图5 射流涡结构流动显示图片Fig.5 Flowvisualization of jet vortex structures

图6 瞬态流场PIV计算结果Fig.6 PIV cross-correlation calculation of transient flow field

对比图5(b)中的自由射流涡结构,两者在涡结构发生机理上具有一定的相似性,但是在射流涡结构的发展上表现出明显的不同。自由射流涡结构表现为具有轴对称特征的涡环结构。而在本工况中,主流的作用效果表现为使射流结构发生倾斜,强化迎风侧的涡结构卷吸效果。迎风侧涡结构在卷吸作用下其空间尺度快速增大,并脱落、破裂、耗散。相比之下,背风侧涡结构处于低速流体的包围下,在发生和运动过程中,没有出现明显的涡结构卷吸增大过程,在运动过程中与更大的涡结构发生相互作用被吞并,进而破裂。

极小尺度的P1颗粒在图5(a)的流场内表现出了非常好的流动跟随性,能够响应射流孔局部的互相关涡结构,与不含有颗粒的射流气体发生掺混。并在射流孔局部表现出明显的优先聚集(preferential concentration)现象,聚集于互相关涡结构的涡核外围。随着涡结构增长并破裂、耗散后,在湍流脉动作用下,迅速在流道内恢复均匀分布的状态。相比之下从对应的P2,P3,P4颗粒图片中无法观察到相似的瞬态分布现象。颗粒的惯性使其无法在射流孔局部响应涡结构的发生、卷吸过程,因此不能形成优先聚集现象。

4 结 论

建立了受限空间内射流影响下的主流气固两相流动实验台。通过实验段之前的过渡段设计使颗粒均匀充满整个通道,在下壁面不会发生明显的堆积现象。在主流雷诺数Rem=7.9×104,射流雷诺数Rej=1.8×104的条件下进行射流实验。

通过详细分析通道内的气流场与颗粒分布,可以认为受限空间内射流结构对主流内的颗粒分布产生影响主要包括两大机理：

(1)通过在流道内形成一道不含颗粒的气流屏障,阻碍小尺度颗粒进入该屏障所保护的下游区域。该效应对文中P2,P3颗粒发生明显作用;

(2)在射流孔下游形成低速区,使颗粒通过与流体发生能量交换降低速度,并在该区域的壁面附近发生聚集。该效应对文中P1,P2颗粒作用明显;

由此可以预见,壁面射流有望用于惯性粒子分离器和流体机械中,作为一种主动控制手段,影响小尺度颗粒在流道内的分布,包括形成局部气流屏障,保护重要部位;形成颗粒在射流孔下游的壁面聚集,可通过壁面抽吸分离颗粒。

[1] 鲁嘉华,凌志光.气固两相透平叶片冲蚀特性的气动实验研究[J].流体力学实验与测量,2003,17(2)：63-69.

[2] 傅耀,王彤,谷传纲.含小尺度颗粒的气流场中射流影响的数值与理论分析[C].吉林,工程热物理多相流分会,2009.

[3] WICKER R B,EATON J K.Structure of a swirling,recirculating coaxialfree jet and its effect on particle motion[J].International Journal of M ultiphase Flow,2001,27：949-970.

[4] LISCINSKY D S,TRUE B.Experimental investigation of crossflow jet mixing in a rectangular duct[C].29th Joint Propulsion Conference and Exhibit.Monterey,CA,93-2037,1993.

[5] FESSLER J R,KULICK J D,EATON J K.Preferential concentration of heavy particles in a turbulent channel flow[J].Physics of Fluids,1994,6(11)：3742-3749.

[6] 罗坤,陈松,蔡丹云,等.气固两相圆柱绕流近场特性的实验研究[J].中国电机工程学报,2006,26(24)：116-120.

[7] BERROUK A S,STOCK D E,DOM INIQUE LA URENCE,et al.Heavy particle dispersion from a point source in turbulent pipe flow[J].International Journal of M ultiphase Flow,2008,34：916-923.

[8] LIANG H Z,M AXWORTHY T.An experimental investigation of swirling jets[J].Journal of Fluid Mechanics,2005,525：115-159.