采用3D-LDA测量旋转射流速度的方法研究

龚迎莉，衡思江，祁海鹰

(清华大学 热科学及动力工程教育部重点实验室，北京 100084)

激光多普勒粒子动态分析仪(PDA)采用非接触式测量技术，已被广泛应用于流场中示踪粒子的粒径和速度测试，及喷雾特性和多相流的科学研究中。对于非旋转粒子的流场，通常一维和二维的测试模式都可满足要求。利用PDA，人们研究过喷嘴的喷雾特性[1-4]及燃烧器的气固两项流和速度场等[5-6]，研究喷嘴和燃烧器应用方面的文章很多，但是探讨PDA测试技术的文章几乎没有，大多数是测试流场中示踪粒子的粒径分布情况、一维速度和二维速度。如果不带旋流的射流，通过测试垂直的2个半径上的二维速度，即可获得3个分速度。

本文利用激光多普勒测速仪(3D-LDA的模式)对封闭式的燃烧器旋转射流流场的三维速度的测试技术进行研究。在数据采集的过程中，发现3D-LDA的发射探头和接收探头的摆放方式不同的时候，实验台流场中的三维速度的对称性和数据大小方面存在一定的差异，结合数值模拟的速度值进行对比，并就此问题展开探讨，以便更真实地反映流场的运动情况，具有科学研究的指导意义。

1 实验系统、测试仪器与方法

PDA测试速度的实验系统原理图和旋流喷嘴的结构见图1。旋流喷嘴喷出示踪粒子，采用3D-LDA的模式的非协同模式对实验中的示踪粒子进行检测。实验测试分为3个阶段：(1)旋流喷嘴的喷口朝水平方向的测试，见图2；(2)旋流喷嘴的喷口朝上的测试，2个探头互相垂直，采集信号相互接收，见图3(a)；(3)旋流喷嘴的喷口朝上的测试，2个探头呈一定夹角，采集信号相互接收，见图3(b)。

图1 实验装置

图2 旋流喷嘴水平放置时的测试示意图(俯视图)

图3 不同的测量接收模式

1.1 实验原理

在3D-LDA的测试中，采用非接触式测量技术，属于点式测量。激光发生器产生的光经过布莱格分光器获得绿、蓝、紫3种颜色的激光光束，通过3束光加40 MHz频移解决速度的方向问题，即没有加频移的光指向加频移的光斑方向为所测分速度的正向，相同颜色的两束光在测量体区域产生干涉现象，照射到流场中运动着的示踪粒子，产生散射。接收到的光信号经过光电倍增管放大转化成电信号，进入多普勒信号处理器，多普勒信号转化成速度[7-8]。散射光的频率和入射光的频率比较，存在频率偏移，即频差，该频差和示踪粒子的速度成正比关系：

(1)

式中，θ是两束入射光之间的夹角，fD是频差

1.2 仪器与实验装置

激光多普勒粒子动态分析仪(PDA)：测量所用仪器是丹麦Dantec公司的Classic PDA，信号处理器型号为BSA60。探头具有发射激光和接收散射光信号的功能。2D探头发射514.5 nm绿光和488 nm蓝光，1D探头发射476.5 nm紫光；2D探头接收紫光的散射光信号，1D探头接收绿光和蓝光的散射光信号。三维坐标架在3个方向的移动距离都为610 mm。

燃料旋流器为装有8个45°直叶片的轴向旋流器[9]。燃烧腔室竖直纵截面为85 mm×85 mm的方形，高120 mm。燃烧腔室上方接一个由方形逐渐过渡到圆形的过渡段，最后经圆柱形出口连接大气。观测窗口采用普通玻璃，其他非观测窗口贴有黑纸，避免环境杂光影响。

1.3 测量方法可行性的检验

对旋流喷嘴进行了不同角度和不同高度的流场的x轴的直径方向进行三维速度的测试。

流场测试的模拟燃料流量Qf=9 m3/h，实验选取了跟随性强的平均粒径为1.6m的飞灰微粒作为示踪粒子[10]，给料量为80 g/h。

首先将旋流喷嘴水平放置进行了测试检验(见图2)，发现激光入射光与喷嘴出口壁面的反射光影响多普勒干涉，导致信噪比小，仪器无法正常工作。后改为射流方向向上的垂直放置，并检验了以下3种情况：

(1) 交互式侧向接收模式(见图3a)，流场中不同高度的三维速度测试；

(2) 交互式侧向接收模式，旋流燃烧器的摆放位置和有无观察窗口的三维速度测试；

(3) 后向接收模式(见图3b)，变换旋流喷嘴的喷射位置，调节探头的放置位置，对实验台进行三维速度的测试，并对轴向速度、切向速度和径向速度差异进行讨论。

2 结果与分析

2.1 激光与实验件壁面的干涉问题

如图2所示，当旋流喷嘴的喷口朝水平方向时，流场的主流速度为水平方向，2个探头放在一个坐标架的悬梁上，2D发射探头(绿光和蓝光)的入射角度为0°，1D发射探头(紫光)的入射角为28°，接收信号采用交互式后向接收的模式。采集情况并不理想，光电倍增管的高压的设定值在600～700 V时，光电倍增管的极电流显示过载，仪器的分辨率很低，基本上得不到理想的速度分布的直方图。分析原因：入射光实验台壁面的反射光信号远远强于后向接收的散射光信号，可能是激光照射到旋流喷嘴的喷口处，反射光干扰了多普勒干涉，影响测试，接收到的光信号不能真实反映实际的散射光的信号。同时，加载的高压值太低，仪器的分辨率低，接收到示踪粒子的散射光的强度太弱，仪器噪声太高，无法正常工作。

2.2 旋流喷嘴的喷口朝上，两个探头交互式侧向接收布局对三维速度的测试影响

如图3(a)所示，改变旋流喷嘴的喷口，朝左侧喷更改为朝上喷射，光电倍增管高压的设定值为1 200 V，仪器的分辨率提高，采集过程中，整体上绿、蓝、紫光的有效率比较协调，差异小，数据率也较高。绿光测轴向速度，蓝光测径向速度，紫光测切向速度。仪器测试过程中的运行状态较好。

2.2.1 发射探头垂直摆放，相互接收

当旋流喷嘴的喷口朝上时，流场的主流速度为竖直向上，2个探头放在L型的坐标架上，2个探头垂直摆放。在开始的测试中，发现坐标架的悬臂有晃动，由于悬臂一侧的镜头较重，另一侧轻，不能真实地反映流场示踪粒子的运动情况。采用软件中的延时功能，设定移动坐标架2 s后进行数据采集，这样更能真实的反映流场情况。

如图4所示，对3个高度为1.2、3.2、6.2 mm进行了测试，图4(a)中，轴向速度的对称性较好，x轴的正向数值比负向数值高，可能是旋流喷嘴的流场有一点向x轴的负向侧偏，相对而言，正向最高值的测量点离喷口更近一些。随着高度的变化，轴向速度最大值的位点向两边扩张，数据表明旋转射流整体呈锥形喷射。图4(b)中，切向速度的对称性较好，但是图形整体向x轴正向偏移约0.25 mm。原因是坐标架沿着x轴方向移动时，2D发射探头发射出的激光的测量点距离始终不变，而1D发射探头距离测试窗口不断变化，玻璃和空气的折射率不同，导致切向速度整体偏移，所测位置越高，切向速度的最大值的位点向两侧扩张，与轴向速度一样符合锥形喷射的变化规律。图4(c)中，径向速度最大值的位置的对称性较好，而x轴正向的径向速度最大值明显大于负向的最大值，进一步验证x轴正向的测试点距离喷口更近一些，和图4(a)的推测结论相一致。所测位置越高，径向速度峰形分布图对称性更强，反映出速度分布的规律性。而Z=1.2 mm的径向速度很不稳定，离喷口太近，受到的干扰因素较多，比如粒子分布均匀性差、散射光在器件上的反射光干扰、沉降的示踪粒子及玻璃的折射等因素。

2.2.2 旋转燃烧器和取消玻璃窗口的测试

图5为Z=1.2 mm的不同测试条件(分别为原始条件Ⅰ，即燃烧器原位旋转；条件Ⅱ为燃烧器喷口旋转180°、条件Ⅲ为燃烧器喷口旋转180°和无玻璃窗口)下的速度分布图。图5(a)中：条件Ⅰ下x轴的-6.4 mm处的Vz最大值为34.83 m/s，5.8 mm处的Vz最大值31.88m/s；条件Ⅱ下，x轴的-6 mm处的Vz最大值36.96 m/s，6.6 mm处的Vz最大值37.23 m/s；条件Ⅲ下，x轴的-6 mm处的Vz最大值34.3 m/s，6 mm处的Vz最大值36.18 m/s。3种测试情况，整体上图形的轴向速度的对称性较好。条件Ⅰ和条件Ⅱ的Vz最大值比较，测试结论正好相反，进一步证实喷嘴的喷射向一侧偏斜。图5(b)中：切向速度的峰形分布图的对称性较好，条件Ⅲ的速度分布图在x轴的-6 mm和6.4 mm处出现的Vt最大值分别为28.54 m/s，28.37 m/s，切向速度的峰形的对称性更好，Vt最大值也更加接近；条件Ⅰ和条件Ⅱ下，切向速度的速度分布图以x=0.5 mm处为对称点，图形的对称性也挺好，整体往x轴正向偏移大约0.5 mm，由此可见，玻璃的密度比环境的空气密度大，空气的折射率约为1，玻璃的折射率按成分不同而为1.5～1.9，玻璃的折射率对光的发射和接收都有一定的影响，导致测出的切向速度峰形分布图向x轴的正向偏移。在图5(c)中：径向速度分布的对称性较差，径向速度分布图的峰值差异较大。究其原因，由2.2.1知，离喷嘴太近，干扰较严重，Vr不能很好地反映流场的径向速度。三种不同的测试情况比较而言，从峰形分布而言，条件Ⅲ测试的三维速度的数据更为理想，峰形的对称性更好，三维速度的最大值也较为接近。

图4 单独喷射模拟燃料时的速度分布

图5 侧向接收速度分布图(z=1.2mm)

2.3 旋流喷嘴的喷口朝上的测试、后向接收对三维速度的测试影响

为了真实反映封闭流场的工作情况，有一些流场的测试必须在封闭的条件下测试。将探头的布局模式改变成后向接收(见图3(b))，2D探头和1D探头放置在坐标架的一个悬臂上，测试的速度不再是两两垂直的三维速度，需要将角度转化为三维速度。探头旋转角度的读数分别为α1=0°,α2=21°，见图6，此时三维速度的转化公式如下：

图6 3D-LDA的几何图

(2)

测得3个分速度值，经过公式(2)的换算获得三维分速度见图7，轴向速度、切向速度和径向速度在x轴的最大值基本都出现在±6.5 mm的坐标上。在坐标x轴负向的峰值出现在6.4 mm处，VZ最大值为33.93 m/s，在6.6 mm处Vt最大值为33.78 m/s；正向的峰值出现在-6.6 mm处，VZ最大值为35.37 m/s，在6.6mm处Vt最大值为-32.08 m/s。由2.2.1节知，离喷嘴太近，干扰较严重，Vr不能很好地反映流场的径向速度。在这里主要参考轴向速度和径向速度。三维分速度的峰值出现的位点基本接近。图形的对称性比2.2节中的优化了，更能真实地反映流场的运动情况，依据搭建实验台的人反映，喷口负向的数值与模拟出旋流喷嘴的燃烧的计算值比较吻合。在后续的试验中，确定x轴的负半轴为测试对象，反映实验台的流场的运动速度情况。

图7 后向接收速度分布图(z=1.2mm)

3 结论

本文采用3D-LDA的非协同交互式采集模式测试，对旋流喷嘴进行了3维速度的测试。结论如下：

(1) 针对开放式的实验台，采用2个探头互相垂直的L型布局，无需速度换算，即可直接测得3维速度；

(2) 对有玻璃观测窗口的情形，宜采用后向接收的探头布局。当两个探头逐点测量移动时，其激光测量体位置保持不变，避免了L型布局的缺陷；

(3) 如对有玻璃观测窗口的情形仍采用L型探头布局，则必须采取相应的措施消除玻璃折射导致的激光测量体位置的偏移，如减小观测窗玻璃厚度，或采用低密度透光材料，材料来源保持一致，或通过试验测得偏移量的校正系数，进而对测量体位置进行校正。

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