環形水射流流場的實驗研究與統計分析

康 燦,張 峰, 楊敏官, 肖勝男

(江蘇大學能源與動力工程學院,江蘇鎮江 212013)

0 引 言

環形射流是一種新型射流,多被應用在航空航天和動力工程領域,近年來環形射流在工業清洗領域內被嘗試并取得了較好的應用效果。在三維空間,液流自環形噴嘴噴出后首先形成具有一定厚度的圓環,在離開噴嘴一定距離后,圓環開始沿徑向擴散,圓環的中心由空心變為充滿著液體[1]。環形液體射流中存在著射流穩定性、射流束聚并、液滴撞擊和液滴破碎等難題[2-3]。從目前的數值模擬水平來看,高速環形射流場的高精度數值模擬和多尺度流動結構的求解均具有較大的難度[4]。而目前針對環形射流的定量實驗研究報道也較少。

當射流壓力達到10MPa時,液體的速度一般會達到100m/s[5]。在這類較高流速的射流場中,能量分布是評價射流場品質的重要指標,更是決定射流作業能力的關鍵因素,這一點不同于低壓圓柱射流和雙流體霧化[6]。同時,流場中的液滴尺寸分布對射流流體施加到被作用物體表面的打擊作用有著重要的影響[7-8]。

對一環形噴嘴的自由射流流場進行實驗研究,設定3種射流壓力p=11,12和15MPa,對不同射流壓力下的射流流場進行PDPA光學測量。測量流場中的單點平均速度和脈動速度,以說明射流能量的沿程衰減和流場的湍動性能。通過對液滴粒徑分布的測量來衡量該流場內的液滴破碎機制。對通過特定位置控制體的單個液滴粒徑和速度進行統計分析,以描述群體液滴表現出的統計規律。

1 實驗系統

采用的實驗系統如圖1所示,水的壓能由功率為9kW的三缸柱塞泵提供,柱塞泵出口和噴嘴通過高壓軟管相連,高壓軟管內的能量損失由柱塞泵出口和噴嘴入口的壓差反映。實驗中采用的環形噴嘴如圖2所示,其出口直徑為1.68mm,中心圓柱的直徑為1.0mm,中心圓柱的下游端距離噴嘴出口斷面的軸向距離為1mm,采用該縮進形式的目的是為了縮短圓環中心充滿液流所需的軸向距離。射流出口的環境壓力為當地大氣壓。在距噴嘴出口不同軸向距離處選取6個測量斷面以進行射流場測量與分析。

圖1 實驗系統組成Fig.1 Sketch of the experiment system

圖2 環形噴嘴型式及射流斷面選取Fig.2 Annular nozzle and transverse sections

2 PDPA參數

PDPA的基本原理是散射光干涉原理,即測量物體散射光線時產生的多普勒頻移以獲得物體的移動速度,與激光多普勒測速(LDA)技術最大的不同在于其接收光學單元有3個探測器且其位置不能與發射光束的對稱軸同線,在測量多維速度分量的同時,亦可通過測量信號的相位得到示蹤粒子的粒徑[9]。本實驗中采用丹麥Dantec公司生產的PDPA系統,該系統由最大功率為5W的氬離子激光光源、二維綠光及藍光發射探頭、接收探頭、光纖驅動器、光電接收器、信號處理器、控制軟件BSA Flow以及智能三維位移機構等組成。實驗中在前側向布置接收器,接收散射角為35°。該系統的主要性能參數如表1所示。

表1 PDPA系統的性能參數Table 1 Primary parameters of PDPA system

測量時,激光光源產生的單色激光束經光纖驅動器后分成波長分別為514.5和488.0nm的綠光和藍光,經過耦合傳輸后,進入焦距為500mm的發射探頭。上下分射的兩束綠光可測量液滴軸向速度分量及液滴索太爾平均粒徑,水平分射的兩束藍光可對徑向速度分量進行測量。4束光聚集在流場中的某一點,形成一個橢球測量體(如圖3所示)。測量時,發射探頭和接收探頭固定在智能三維坐標架上,其同步移動由計算機控制,最小移動步長為0.1mm。每次采樣過程中的樣本液滴數設定為2000個,通過PDPA采樣驗證,液滴數符合測量精度要求。

圖3 PDPA原理圖Fig.3 Schematic diagram of PDPA

3 速度分布

3.1 軸向速度分布

軸向速度是表征射流能量的最重要指標,圖4表示出了在11MPa射流壓力條件下,6個射流斷面上的軸向速度分布。本文采用有量綱的表達方法,一是為了說明所研究射流的速度量級,二是在本研究中,射流的半擴展厚→寬度難以精確確定,因為在對流束邊緣進行PDPA采樣時,存在著一定的采樣誤差。

由圖4可以看出,由截面1～6,速度分布曲線在徑向的跨度增加,同時流束邊緣的速度分布趨于平坦。由距離噴嘴較近的截面1和2來看,環形射流在圓環中心發生聚并后,迅速發展成為圓柱射流。同時在截面1和2的速度分布圖上可發現射流中心的核心區較寬,且與核心區外層間存在著較大的速度梯度。自截面1～6,斷面最大軸向速度衰減百分比僅為0.62%,射流能量得到很好地保持。

圖4 軸向速度分布(p=11MPa)Fig.4 Axial velocity distribution under jet pressure of 11MPa

3.2 射流壓力對軸向速度分布的影響

圖5表示出截面1和6的軸向速度分布隨射流壓力的變化情況。如圖5(a)所示,隨著射流壓力的提高,截面1的軸向速度分布曲線基本上向縱軸整體平移,流束中心部分平移的量更大一些。在圖5(b)中,在不同壓力下,截面6上的軸向速度分布呈現光滑的二次曲線形式。遠離噴嘴,射流束在徑向的擴散增強。隨著射流壓力的提高,流束中間的射流流體加速更為明顯。在截面6的邊緣,不同壓力下的分布曲線交織在一起,說明混合層內液體與空氣的相互作用更為強烈。

3.3 徑向平均速度分布

在較高壓力下的射流場中,徑向速度通常被忽略,但該文研究的圓環射流流束的直徑較大,徑向速度分布在分析流束擴散程度和流束外緣液滴運動特性時起著重要的作用,故將6個截面上的徑向速度分布表示在圖6中。可以看出,每個截面上的徑向流速分布都基本保持對稱,且由截面1～6,徑向平均速度分布曲線趨于平坦。同時,由截面1～6,截面邊緣處的徑向速度逐漸減小,一方面,水射流與周圍空氣的摩擦使射流流體能量不斷衰減,另一方面,在流束邊緣處,大尺度液滴的破碎使液滴表面和空氣的接觸面積增加,液滴的徑向運動受到進一步阻滯。

圖6 徑向速度分布(p=11MPa)Fig.6 Radial velocity distribution under jet pressure of 11MPa

4 湍流脈動分析

4.1 軸向均方根速度

均方根速度是表征湍流脈動程度的重要參數,圖7表示出了在11MPa射流壓力條件下,截面1、3和5上的軸向均方根速度分布情況。在每個截面的射流中心區,軸向均方根速度分布曲線均存在著明顯的波谷,而該波谷對應著每個截面上軸向速度最大的區域。從另一角度看,在射流中心區外圍,分布著兩個軸向均方根速度的波峰,該處對應著液體與周圍空氣開始發生強烈剪切作用的位置。

圖7 軸向均方根速度分布(p=11MPa)Fig.7 Axial root mean square velocity distribution under jet pressure of 11MPa

4.2 徑向均方根速度

對應于圖6的徑向速度分布,圖8給出了截面1、3和5上的徑向均方根速度分布。從徑向均方根速度的量值來看,其與徑向速度的大小相當,說明液滴的徑向湍流脈動很強烈。而從分布曲線來看,在遠離噴嘴的截面5上,徑向均方根速度分布趨于平坦。在截面1和3處,截面邊緣處的徑向均方根速度分布曲線梯度較大,且射流流束中心的徑向均方根速度較小。

圖8 徑向均方根速度分布(p=11MPa)Fig.8 Radial root mean square velocity distribution under jet pressure of 11MPa

5 液滴粒徑分布

液滴是射流能量的載體,其尺寸及尺寸分布直接影響著射流的作用效果,在PDPA采樣過程中,對通過不同位置控制體的每個液滴都進行了記錄。液滴尺寸的表達主要采用兩個參數：液滴數平均粒徑和索太爾平均粒徑。液滴數平均粒徑的定義為

索太爾平均粒徑可定義為

由于不同的粒徑表示方法得到的結果可能存在較大的差異,故圖9中同時表示出了11MPa射流壓力下的液滴數平均粒徑和索太爾平均粒徑分布。可以看出,由截面1～4,液滴數平均粒徑在流束中心呈現略微下凹的分布形態,在接近射流流束外緣時,液滴數平均粒徑分布較為平坦。在截面5和6上,在流束外緣,隨著距射流軸線的徑向距離增加,液滴數平均粒徑又出現增大的趨勢。而索太爾平均粒徑分布則基本上與圖7中的軸向均方根速度分布相對應,在射流流束中心區,湍動程度小,液滴的索太爾平均粒徑大;而在流束外緣,湍動程度大,且液滴與周圍空氣相互作用劇烈,液滴破碎幾率增大,故小尺寸液滴增加。

接近流束中心,液滴數平均粒徑和索太爾平均粒徑之間存在著明顯的差異,而在截面1的流束中心,這種差異最為顯著,說明該處的粒徑譜較寬,液滴尺寸分布不均勻。由于環形噴嘴的中心為一圓柱體,高速液流經過時在圓柱體尾部形成滯止區,在滯止區的外層存在著較大的速度梯度,高速和低速流體之間不斷發生剪切作用,而環形射流流束又在徑向迅速擴散,噴嘴附近出現滯止區外層剝落和流動干涉,這是導致此處液滴尺寸不均勻分布的重要因素之一。

6 液滴統計分析

為進一步討論流場中的液滴行為及尺寸特征,在更短的時間尺度和更小的空間尺度條件下對液滴參數進行統計分析。對在截面1和6的中心點和邊緣點處設置的控制體進行監測,對不同時刻通過控制體的單個液滴的粒徑和軸向速度進行統計分析。

6.1 粒徑百分比

液滴粒徑與液滴數百分比之間的對應關系如圖10所示。對于截面1的中心點和邊緣點處的控制體,其通過的不同粒徑液滴所占的百分比關系呈現明顯的統計特征,通過中心點控制體的液滴覆蓋的尺寸范圍更大,8μ m左右的液滴數量最多,約占整個樣本數量的10%,且壓力升高對不同粒徑液滴所占的百分比影響不大。通過截面1邊緣點處設置的控制體的液滴數量百分比與液滴粒徑的關系呈尖峰分布,占最大比例的液滴尺寸約為18μ m,占樣本數量的24%左右,且射流壓力升高到15MPa時,該尺寸液滴所占比例增加至29%左右。

在圖10(b)中,截面6的液滴數量百分比與液滴粒徑的關系受射流壓力的影響同樣不明顯,且與截面1表現出相似的分布特征。對于中心點處的控制體,其通過的液滴的數量與尺寸對應關系更為平坦。而對于邊緣點,其關系曲線的峰值對應的液滴粒徑達到36μ m左右,數量百分比卻下降至11%左右。射流壓力增加到15MPa時,占最大百分比的液滴的粒徑略有減小,百分比的峰值卻增加至13.5%左右。

6.2 粒徑與速度統計關系

圖10 不同粒徑液滴的數量百分比Fig.10 Percentage of droplets with different diameters

圖11 不同軸向速度對應的液滴數百分比Fig.11 Relation between droplet percentage and axial velocity

液滴數百分比與液滴軸向速度間的對應關系如圖11所示。相對于截面6的邊緣點,在截面1的邊緣點處,液滴數百分比曲線覆蓋的液滴軸向速度范圍較大,且曲線峰值對應的液滴軸向速度量值較大。射流壓力對邊緣點處液滴數百分比曲線的形態沒有明顯的影響。而對于兩個截面的中心點,射流壓力的增加使液滴數百分比曲線向橫坐標的正向平移,且在中心點處,最大液滴數百分比的值均在40%左右,當射流壓力增加到15MPa時,該峰值略有下降。

7 結 論

(1)實驗壓力條件下,環形射流的能量沿射流方向衰減緩慢,且射流流束中心的高速區較寬,該高速區內的軸向和徑向的湍流脈動程度均較弱;

(2)接近流束中心,液滴數平均粒徑和索太爾平均粒徑存在著較大的差異,尤其是在距噴嘴最近的截面中心位置,該差異更為顯著,說明射流流束中心的液滴粒徑譜較寬;

(3)通過截面邊緣控制體的小尺寸液滴占有絕對的數量優勢,隨著距噴嘴的軸向距離增加,占最大數量比例的液滴的尺寸有所增加。通過射流中心位置控制體的高速液滴的數量占絕對優勢,而邊緣控制體處的液滴數百分比與液滴軸向速度關系呈現明顯的二次曲線分布,具有明顯的統計特征。研究結果為環形射流在更深層面的應用提供了參考。

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