90°方形弯管内部流场PIV试验

马皓晨,代 翠,董 亮,吴贤芳

(1.江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013;2.江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江 212013)

90°方形弯管内部流场PIV试验

马皓晨1,代 翠2,董 亮2,吴贤芳2

(1.江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013;2.江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江 212013)

为了揭示不同进口流速情况下90°方形弯管内部流动特征,在构建90°方形弯管专用PIV试验台的基础之上,对弯管内不同断面以及不同半径上的流速分布情况进行了PIV测试试验。试验结果表明:采用PIV技术能较好地获得弯管内部流动情况;流体未进入弯曲段时,各断面流速分布变化不大;而进入弯曲段后,由于受到弯管壁的约束形成旋转流动,弯管内侧流速增大,外侧流速降低;当转过60°位置后,弯管内侧流速降低,外侧流速增加;到达90°位置后,各断面的流速基本趋于一致。不同半径处的流速分布不相同,弯管内侧流速较大,外侧较小,在50°、60°处流速达到最大值;弯管不同的进口流速对于速度峰值的位置有一定的影响,而对于弯管内其他的流动情况影响较小。

90°方形弯管;粒子图像测试;流场分析;双叶片泵

在石油、化工、水利等领域中,常用弯管来实现流体的输运以及热量和质量的传递。弯管内流体的流动受到诸多因素的影响,尤其是在来流速度变化时,弯管内的流场呈现出十分复杂的流动特性,如在管壁附近形成分离区,管道横截面上产生二次流动,这些现象不仅造成流体总压和能量损失而导致热量、质量交换效率降低,而且还会产生较大的流动噪声,所有这些流动现象都会造成管内流体能量的损失,因而对水力机械过流部件的效率有着重要影响,故弯管内的流体流动一直受到研究者的关注[1-6]。

Kliafas等[7]应用非接触激光测量方法对90°方形弯管内流场进行了研究,测量了90°方形管道从竖直到水平段内的流动情况。徐俊等[8]利用激光多普勒测速仪(LDV)测量了180°矩形弯管的流场,获得了流场的时均流速、湍流强度等数据,给出了180°矩形弯管时均切向流速、时均轴向流速和湍流强度沿周向和轴向的分布曲线。杜彩虹等[9]利用智能型五孔球探针测量了180°矩形弯管的流场,同时利用FLUENT流体计算软件,采用Realizable k-ε湍流模型对弯管的流场进行了数值模拟,并重点考察了切向速度和压力的变化。赵懿等[10]采用二维激光多普勒测速仪和五孔探针测得4片90°弯管Z形组合在不同弯管间距下水流特征断面上的三维流场、压力分布以及紊动特性的沿程变化等,并探讨了双弯管局部阻力相邻影响的机理。谢龙等[11]利用激光粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)对阀体后90°圆截面弯管的内部流场进行了测量,分别在不同阀体开度和流速工况下测得了弯管内大量高分辨率瞬态速度场数据,并对其进行统计分析,研究了时均速度场、流线图谱及涡量场等相关流场特征。

关于90°方形弯管在不同流速情况下弯管内的流动,无论是理论研究还是试验研究都较少见,至今鲜有关于90°方形弯管内三维紊流流场的研究报道,而这类弯管在工农业中的应用却十分广泛,为此,本文结合某工程实际问题,对前端配置双叶片泵的90°方形弯管内部流场进行分析。

1 试验装置和测量方法

1.1 试验台构造

图1为90°方形弯管试验装置示意图。测试设备主要有变频控制柜、三相异步电机、电磁流量计等。试验时,通过变频控制柜对电机进行无级调速,流量由电磁流量计测得。

图1 90°方形弯管试验装置

试验用弯管结构如图2所示。为了便于PIV测量,弯管采用有机玻璃铸造,有机玻璃质地均匀,无气泡、杂质,各个表面抛光处理,粗糙度达到3.2级。90°方形弯管的具体参数见表1.

表1 90°方形弯管参数

1.2 PIV测试系统

试验采用美国TSI公司产的商用PIV系统,主要包括:YAG200-NWL型脉冲激光器(单脉冲能量为200 mJ)、630059 POWERVIEW型4MP跨帧CCD相机(分辨率为2048像素×2048像素)、Insight 3G图像采集及分析系统(其查问区最小可达4像素× 4像素)、610035型同步器、用于将同步触发信号传送给同步器的同步触发控制器主机和光纤传输转换器、610015型光臂、片光源透镜组等.

图2 90°方形弯管结构示意图

1.3 测试方案

PIV测量截面为沿主流方向,测量区域为弯管段。试验共测量1 m/s和2 m/s两个不同的进口流速(通过出口阀门来调节流量从而改变弯管进口流速),且在每个流速下,测量6个断面,分别为距弯管中间断面10 mm、20 mm以及30 mm的断面(两侧对称),为便于标记,以弯管进口方向最左边平面为基准(z=0 cm),则6个断面分别记为z=10 mm、20 mm、30 mm、50 mm、60 mm、70 mm。

1.4 测试步骤

通过变频器将模型泵转速调到1 000 r/min,并通过出口阀门改变流量,测量流场,依次重复直至完成所有方案的测量。具体试验步骤如下:

a.连好线后打开计算机、同步器、激光器等。

b.启动模型泵,调节泵转速为1000 r/min。

c.调节激光的光腰,使其在测量区域中心附近,并使片光面与测量断面重合。

d.添加示踪粒子,控制粒子浓度。

e.调节相机焦距,使拍摄的图片清晰,粒子微微曝光。

f.调节出口阀门,使模型泵输出流量为23 m3/h(对应弯管进口平均流速为1m/s)。

g.在Insight 3G中设置试验参数,拍摄零时刻的100组流场图像并保存。

h.调节出口阀门,使模型泵输出流量为46 m3/h(对应弯管进口平均流速为2m/s),重复步骤g。

i.试验结束,对拍摄的图片进行处理。

2 试验结果与分析

2.1 径向流速分布

图3给出了进口平均流速为1 m/s时,z=30 mm断面各个位置上的时均流速分布曲线,可以看出,对于同一断面而言,当流体未进入弯曲段,即在xH= 1056mm和θ=0°时,弯管内流速分布变化不大;而在流体进入弯曲段后,流速分布开始逐渐发生变化,弯管内侧流速逐渐增大,最大值在径向中心线上r*=0.9附近,数值约为1.2 m/s,外侧流速逐渐减小,这种变化趋势延续到θ=60°处达到最大值,此时,弯管内侧流速开始减小,外侧切向流速逐渐增大,流速的峰值由内壁向中心r*=0.5处移动,随着θ继续增大,流速的峰值继续向外壁移动,而近外壁的流速继续升高,θ=90°处不同断面的流速变化较小,基本趋于一致。对于不同断面,流速分布情况略有区别,说明弯管各个断面内流速分布情况并不一致,存在一定的波动,从而导致不同断面流速分布出现差异。

图4为进口平均流速为2 m/s时,z=20 mm和z=60 mm断面上的时均流速分布情况,可以看出,当流体未进入弯曲段,即在xH=1 056 mm和θ=0°时,流速分布变化不大,且相互对称断面(z=20 mm与z=60 mm关于弯管中间断面对称)的流动情况基本相同;流体进入弯曲段后,对称断面流速分布出现了一些差异,这是因为流体进入弯管之后就为旋转流动,使得从θ=0°到θ=90°之间不同断面的流速方向发生变化,流体进入弯管内会出现二次流动,影响了不同断面上流速的分布。

2.2 不同半径流速分布

图5为进口平均流速为1m/s时,不同半径上(指相同截面不同r时的流速变化情况)的时均流速分布曲线,可以看出,由于流体运动受到弯管曲率和离心力的影响,导致径向压力分布不均匀,形成径向压力梯度,导致切向流速在径向上分布不均匀。此外,由于弯管壁面存在黏性层和摩擦阻力的影响,使壁面附近的切向流速急剧减小,而主流方向流速增加。弯管外侧所受压力较大,且具有较大的离心力,故切向速度较大,主流方向流速相对较小,而在θ=50°、60°处的流速的变化趋势达到最大值,即弯管内侧流速最大,外侧最小,之后主流流体由于离心力作用向弯管外侧靠近,内侧与外侧流速也开始相应发生变化。

2.3 不同断面流场分布

弯管内不同断面的流动特征如图6和图7所示,可见,无论在何种进口流速情况下,弯管出口的直线段靠近弯管内侧处存在低速区,这是由于在弯曲区域离心力的作用下,使器壁附近的切向流速急剧减小,且弯管内侧表面附近的切向流速分布也发生较大的变化。此外,整个拍摄区域的弯管外侧近壁处附近区域内存在低速区,且不同断面的高速区面积有较大差异。

图3 z=30 mm断面沿主流方向的时均流速分布

图4 z=20 mm和z=60 mm断面沿主流方向的时均流速分布

图5 不同半径时均流速分布

图6 进口平均流速1 m/s时弯管内不同断面流动特征(单位:m/s)

图7 进口平均流速2 m/s时弯管内不同断面流动特征(单位:m/s)

3 结 论

a.流体进入弯曲段后,弯管内侧流速逐渐增大,最大值在径向中心线上r*=0.9附近,数值约为1.2 m/s,外侧流速逐渐减小,这种变化趋势延续到θ=60°处达到最大值;此后弯管内侧流速开始减小,外侧切向流速逐渐增大,流速的峰值由内壁向中心r*=0.5处移动,随着θ继续增大,流速的峰值继续向外壁移动,而近外壁的流速继续升高,到θ=90°处不同断面的流速变化较小,基本趋于一致。

b.弯管内侧流速最大,外侧最小,且在θ=50°、60°处流速的变化趋势达到最大值。

c.弯管不同的进口流速对于流速峰值的位置有一定的影响,而对于弯管内其他的流动情况影响较小。

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PIV experiment of inner flow field in 90°bending ducts with square section

//MA Haochen1,DAI Cui2,DONG Liang2,WU Xianfang2(1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang212013,China;2.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhenjiang212013,China)

In order to reveal the internal flow characteristics of a 90°bending duct with square section at different inlet velocities,PIV measurements of velocity distribution were carried out for bending ducts at different sections and radii.The experimental results suggest that the flow behavior within a bending duct can be measured by PIV.Velocity profiles vary little before the fluid entering the bending section.Rotating flow forms due to the restraint of the bending wall when the fluid enters the bending section,resulting in a velocity increase at the inner wall of the bending duct and a velocity decrease at the outer wall of the bending duct.On the contrary,the velocity decreases at the inner wall of the bending duct and increases at the outer wall of the bending duct when the fluid passes through 60°.Flow velocity tends to be uniform when the fluid passes through 90°.Velocity profile was different with different radius and the velocity near the inner wall is higher than that near the outer wall.Maximum velocity occurs at 50°and 60°,and its location is found to be dependent on the inlet velocities and independent on other flow characteristics in the bending duct.

90°bending duct with square section;particle image velocimetry;flow analysis;double-blade centrifugal pump

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.007

TV131.4

A

10067647(2013)05003104

20121109 编辑:熊水斌)

国家自然科学基金(51179075);江苏省工业科技支撑计划(BE2012131);江苏省研究生创新计划(CXZZ12_0680);江苏大学高级人才启动基金(12JDG082)

马皓晨(1975—),女,江苏海安人,讲师,硕士,主要从事泵内流测试研究。E-mail:mahaochen@gmail.com