受限空間內射流影響下主流內氣固兩相流動實驗研究

傅 耀 ,王 彤 ,陳錦成,谷傳綱,許 峰

(上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室,上海 200240)

0 引 言

在軸流式或離心式壓縮機的實際運作中,常遇到氣體工質中夾雜固體顆粒的問題。由于旋轉機械葉片絕對速度高,而固體顆粒在其慣性影響下,在流道內無法完全跟隨氣體運動軌跡,可能與葉片表面發生碰撞,造成葉片磨損和破壞,這樣的現象被稱為“砂蝕”[1]。砂蝕現象會造成機組工作效率降低,甚至造成葉片破裂、機器損毀的嚴重事故。傅耀、王彤等[2]通過CFD計算結合理論分析發現,壁面射流能夠在流道不同位置產生局部的高/低濃度區,并沿流動方向具有持續效果,為顆粒的分離提供必要條件,是一種有望用于慣性粒子分離器和流體機械中,強化顆粒分離、保護機器的主動控制方法。

Wicker[3]等進行了自由射流內的氣固兩相流動的試驗研究,通過研究不同粒徑顆粒在自由射流渦結構中的分布,指導燃燒室燃料噴射,達到穩定火焰結構的目的。Linscinsky[4]等進行了帶主流條件下的單相射流摻混結構研究,針對射流孔直徑、射流流量等參數對摻混效果的影響進行了詳細分析,指導燃氣輪機燃燒室出口摻混降溫技術的相關參數優化問題。而針對受限空間內帶主流條件下的兩相射流結構的研究,就作者所知,尚沒有相關試驗結果發表。而該流動結構正是慣性粒子分離器或帶有顆粒的流體機械流道內的流動模型,研究該流動具有重要的科學研究意義和工程應用價值。

為此,搭建了帶主流矩形受限空間內射流影響下的氣固兩相流動實驗臺,并使用PIV測量系統進行了測量,獲得了流場內的渦結構信息,并分析不同粒徑顆粒在射流影響下的時均分布情況。

1 實驗臺搭建

常見的氣固兩相流動實驗臺為縱向實驗臺,如文獻[5-6]中在研究氣固兩相流動中使用的實驗臺。這樣的處理在研究湍流場內顆粒分布時,能夠從時均效果上避免顆粒的切割流線效應(cross-trajectory effect[7])的影響,使顆粒在湍流場內的分布和顆粒耗散主要通過慣性效應起作用。在高顆粒濃度的氣固兩相實驗臺中,縱向通道能夠防止顆粒在重力作用下聚集于固體壁面,造成堆積或流道堵塞,防止顆粒在流道內的嚴重不均勻分布情況。

但是縱向實驗臺會造成實驗臺搭建、實驗操作上的難度,并且在實驗空間上受到很大的限制。因此嘗試建立橫向的實驗臺,通過合理的實驗臺設計方案,在橫向實驗段中使顆粒能夠分布在整個實驗通道內,形成較均勻的分布。通過文獻[2]的數值計算和理論分析,當主流速度超過10m/s時,在1m長的橫向實驗通道內,重力作用對顆粒分布的影響,相比射流的影響可以忽略。搭建實驗臺示意圖如圖1所示。

圖1 實驗臺示意圖Fig.1 Schematic of the experimental tunnel apparatus

使用入口流量計測量試驗通道內的主流氣流流量。氣流經轉向通道進入上行通道中,顆粒通過上行通道壁面所設置的給粉管進入試驗通道。顆粒在進入上行通道時具有沿給粉管方向向下的速度,在空氣的曳力作用下,隨氣流轉而向上方運動。在上行通道中設置多層隔柵網,使顆粒能夠與氣流充分混合。氣固混合流經轉向通道,進入實驗臺橫向部分。在轉向通道內,由于顆粒的慣性作用,顆粒的分布將聚集于通道上壁面附近,此時顆粒群具有較大的平均高度。在重力作用下,沿橫向運動方向,顆粒群的平均高度將有所下降。但是單獨依靠重力作用降低顆粒群平均高度需要提供長通道,且該作用不可調。因此,在橫向通道內設置了多層隔柵網,使顆粒群在與隔柵網的碰撞過程中強化分布均勻化。橫向通道中的隔柵網數量和位置是調整顆粒在實驗段內分布的主要手段。通過多次的嘗試,發現在橫向過渡段中架設5層隔柵網,間距100mm是比較理想的處理方式,能夠在實驗過程中無需進一步調整隔柵網,達到無射流條件下不同粒徑顆粒分布均勻的條件。詳細測量結果見3.3節。

攜帶顆粒的氣體經圓轉方改變通道形狀,然后進入隔柵,顆粒進入實驗段的縱向位置在此確定,同時顆粒的縱向速度在隔柵中受到抑制,可認為顆粒在進入通道時不具有縱向的時均速度,以與主流速度一致的方向進入試驗段。實驗通道長寬高L×W×H=1000mm×300mm×80mm。將長寬高方向分別定義為X,Y,Z方向,以實驗段入口面下邊界中心位置為坐標原點,建立三維坐標。在通道底部中點位置(X=500mm)設置直徑D=10mm的射流孔。射流氣體在大氣壓力的作用下垂直進入實驗段,射流速度由射流管入口的阻流片進行控制。

攜帶顆粒的氣流受到射流的影響后經風機排出,顆粒在風機出口采用布袋捕捉防止污染環境。

2 實驗設備

以丹麥DANTEC公司數字式二維PIV激光流場測量系統為主要實驗測量設備。該系統包括片光源系統、圖像拍攝系統、信號處理系統、同步控制系統和FLOWMAP后處理軟件等。PIV系統的激光器為雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器,最大工作頻率10Hz,每個脈沖能量 200mJ,激光波長 532nm(綠光),片光源厚度1mm,張角14°。CCD相機像素為4000×2096。拍攝平面為流道對稱截面Y=0截面。

實驗中共使用4種固體顆粒,其參數如表1所示。其中P1顆粒粒徑參數由生產廠商提供,該顆粒具有極小的速度松弛時間,作為極小粒徑顆粒進行顆粒分布的分析,同時也作為示蹤粒子進行流場測量。3種玻璃微珠的粒徑參數采用Beckman Coulter公司的LS13 320顆粒粒徑分析儀進行分析。

表1 實驗顆粒參數表Tabel 1 Parameters of different classes of particles

3 實驗結果分析

實驗內容包括PIV互相關計算實驗,無射流/帶射流條件下的顆粒分布實驗及揭示流場瞬態渦結構的流動顯示實驗。

由于本次實驗中拍攝時的空間放大率為38.8m/pixel。在流道內,示蹤粒子與顆粒的光斑沒有明顯的大小區別。如果同時添加示蹤粒子和固體顆粒將無法通過圖片處理區分不同顆粒,因此實驗中采取分別添加示蹤粒子和固體顆粒的方式進行實驗。這種處理方法可行的前提是顆粒濃度足夠低,不會對流場產生明顯影響。

實驗中針對不同種類的顆粒采取相同的顆粒質量流量進行顆粒添加,0.74g/s。折算為顆粒體積濃度為0.9‰,屬于氣固兩相流動中的稀相流動范圍。

3.1 氣流場互相關計算結果

設定跨幀延時60μ s,對帶射流/無射流條件下的流道中截面分別拍攝200對照片,并進行PIV互相關計算,查詢區大小為 32pixel×32pixel,50%重疊區,采用3重迭代算法增加計算穩定性,使用變形窗口算法增強高速度梯度區域的計算精確度。經計算發現,受到固體壁面透射/反射光的影響,在壁面附近的互相關計算結果存在較大誤差。而主要關心的是射流對主流區域內的氣流運動和顆粒分布的影響,因此可以刪除壁面附近的結果。

對帶射流/無射流條件兩種情況下的200對照片的瞬態結果分別進行平均處理后,可得流道對稱截面上的時均速度。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圖2所示。

圖2 時均流場計算結果Fig.2 Mean fluid velocity from correlation calculation

由圖2可見,無射流條件下,通道內拍攝段氣流基本達到均勻流動狀態。表現為垂直方向速度基本為0,主流方向速度分布均勻。射流對射流孔上游1D位置(X=490mm)的氣流場產生了一定影響,包括主流方向上以流道中心高度為區隔,通道上部速度有所增加,通道下部速度減小。垂直方向上受到射流影響,通過流體的粘性作用,在通道內形成了向上方運動的速度。在受到壁面射流影響后,由圖2(a)觀察,氣流場在射流結構尾部、下壁面附近形成了明顯的主流方向低速區,對應區域內的V速度有所增加,通過計算合速度發現該區域內的氣流速度較低,形成了流道內的低速區。同時通道上方的主流速度略有增大。觀察減速區域與增速區域的交界位置,如圖2(a)中所示,發現該位置在射流孔后逐漸由下壁面附近向通道中間位置移動,也就是說隨著流動向下游發展,低速區范圍逐步增大。通道內的主流速度極小值位置也向通道中心移動,同時極小值絕對值增加。射流的影響在流道內形成了明顯的主流速度梯度,隨著流動進一步向下游發展,在氣體粘性的影響下,射流的影響逐步耗散,氣流逐步恢復均勻流動狀態。在射流孔下游15D位置后,氣流速度受到射流的影響逐漸減小并逐漸趨于恢復充分發展流動的特征。由垂直方向速度圖可見,受到流動上壁面的限制,氣流的垂直速度受到射流影響的范圍相對較小。速度V極大值位置,始終位于通道下方Z＜2D的范圍內。

3.2 不同粒徑顆粒在帶射流/無射流條件下的時均分布

采取1Hz拍攝頻率,每組拍攝20張流道內顆粒分布圖片,在同一條件下拍攝10組,共200張圖片,記錄下200個瞬時的平面顆粒分布,計算圖片組中每個象素點的灰度方差并將該方差矩陣寫成圖片形式,如圖3所示(為清晰圖片做了反色處理)。圖片組的灰度方差能夠將圖片組內的所有顆粒信息疊加,通過觀察分析該灰度方差圖片,可直觀分析顆粒在流道內的時均濃度分布。由圖3可見,通過合理調整實驗段前的平穩過渡通道內的隔柵網數量,能夠在橫向布置的實驗段中,使不同粒徑顆粒均勻充滿整個通道高度,顆粒不會在重力作用下大量聚集于下壁面附近,在通道內形成較均勻的分布。在帶射流條件下,同樣工況的流場內,假設不同粒徑顆粒的添加不會對時均流場產生明顯影響,記錄200個瞬時的流道對稱截面內,得到同一流場下的不同顆粒分布,并統計,結果如圖4所示。

由圖4可見,不同粒徑的顆粒在射流影響下,時均分布表現出非常明顯的差異。其中作為示蹤粒子的P1顆粒,在射流局部快速響應局部速度變化形成局部低濃度區域,但隨著渦旋結構的破裂迅速在下游通道重新恢復均勻分布。在流場形成的射流孔下游低速區結構內,P1顆粒形成了明顯的顆粒聚集現象。由于P1顆粒跟隨流體運動的能力強,在流體低速區內,通過顆粒與流體間的曳力作用,顆粒動能明顯降低,并在下壁面附近形成明顯的聚集。

P2顆粒受到射流的影響最大,由射流孔位置開始形成了具有清晰邊界的低濃度區域。該區域在高度方向上能夠占據整個通道約1/3的高度。同時與P1顆粒類似,在低速區內,P2顆粒也形成了一定的聚集,但其范圍小,主要發生在射流孔下游的下壁面附近的范圍內。這是由于P2顆粒慣性相比P1顆粒較大,只有位于低速區固體邊界層內的P2顆粒才會發生明顯的動能降低,并聚集于下壁面附近。大部分的P2顆粒受到射流沖擊后不會進入低速區范圍內,而進入通道上半部分的流動通道內,并向下游運動。

P3顆粒在射流影響下,也能夠產生明顯的低濃度區域,但是該區域與P2顆粒相比范圍更小,低濃度區起始位置也位于更下游的位置。射流孔下游下壁面無明顯顆粒聚集。

P4顆粒是該實驗中所使用顆粒中平均粒徑最大的顆粒。顆粒的大慣性起到決定性影響。在射流流場內,顆粒幾乎不受到射流的影響,直接穿越射流渦結構,保持原有運動狀態向下游運動。顆粒的分布與無射流條件下無明顯區別。

圖3 無射流條件下的不同粒徑顆粒的圖片組灰度方差圖Fig.3 Intensity variance of particle image classes without jet effect

圖4 帶射流條件下的不同粒徑顆粒的圖片組灰度方差圖Fig.4 Intensity variance of particle image classes with jet effect

由上述分析可見,不含有顆粒的射流在主流內形成了一道阻礙顆粒的氣流屏障。對極小尺度的顆粒,在射流孔附近的小區域內,小顆粒無法進入,但顆粒能夠通過氣流場的湍流擴散作用繞過該屏障進入射流下游的流道區域內。對大顆粒,可直接穿越該氣流屏障進入下游流道。而P2,P3顆粒作為主要關心的10μ m量級小尺度顆粒,在氣流屏障的影響下表現出了特殊的分布特性。在射流孔局部響應射流的影響,在氣體曳力作用下,產生向通道上方運動的趨勢,無法穿越氣流屏障。同時,當流場內的射流影響沿流動發展快速耗散時,P2,P3顆粒無法像P1顆粒那樣快速響應下游流場內的小尺度渦結構所產生的湍流擴散作用。因此P2,P3顆粒在流道內形成并保持了明顯的低濃度區,在氣流場中的射流影響逐步耗散后,該低濃度區依然保持。

可見作為一種主動控制手段,壁面射流在有效顆粒粒徑上具有選擇性,對極小顆粒僅在射流孔局部發生影響;而大顆粒則能夠直接穿越射流結構,不受其影響;只有對10μ m量級顆粒的時均分布發生明顯影響。

在進一步的研究工作中,為了量化分析射流擾動對顆粒分布的影響,將嘗試在該流動模型中建立流場特征參數(如Rem、Rej或射流主流速度比R=Vj/Vc)與顆粒特征參數(如τv)之間的相互關系,并指導工程實際應用。通過合理調整壁面射流相關參數,有望在工程上實現具有針對性的小粒徑分布控制。

3.3 瞬態流場及顆粒分布

在流道內添加納米級二氧化鈦顆粒,并利用PIV系統記錄下流場內的瞬態示蹤粒子分布,能夠得到瞬態流動顯示圖片,選取其中一幅圖片的射流孔附近局部放大圖片如圖5(a)所示,圖5(b)為文獻[8]中觀察自由射流渦結構的典型結構。

對圖5(a)中的圖片進行互相關計算,得到二維速度矢量,并計算平面渦量

做平面速度矢量圖和平面渦量云圖,如圖6所示。

由圖5(a)可見,在主流影響下的受限空間射流在出口局部形成了非常清晰的擬序渦結構。在射流結構主流側出現連續的逆時針卷吸渦。在圖6的互相關計算結果中表現為射流孔附近的連續數個正渦量區域。同時對流場顯示圖片中無法清晰觀察的射流孔下游低速區域,也可從圖6中觀察到其中的流場情況。低速區內存在主流方向瞬時速度u≤0的情況,說明流體在該區域內表現出強烈的湍流現象,發生滯止與逆流。整個射流結構表現為正負平面渦量的分布狀態。隨著流動向下游發展,出現連續的渦結構發生和脫落現象,在過程中伴隨著主流與射流之間的摻混。

圖5 射流渦結構流動顯示圖片Fig.5 Flowvisualization of jet vortex structures

圖6 瞬態流場PIV計算結果Fig.6 PIV cross-correlation calculation of transient flow field

對比圖5(b)中的自由射流渦結構,兩者在渦結構發生機理上具有一定的相似性,但是在射流渦結構的發展上表現出明顯的不同。自由射流渦結構表現為具有軸對稱特征的渦環結構。而在本工況中,主流的作用效果表現為使射流結構發生傾斜,強化迎風側的渦結構卷吸效果。迎風側渦結構在卷吸作用下其空間尺度快速增大,并脫落、破裂、耗散。相比之下,背風側渦結構處于低速流體的包圍下,在發生和運動過程中,沒有出現明顯的渦結構卷吸增大過程,在運動過程中與更大的渦結構發生相互作用被吞并,進而破裂。

極小尺度的P1顆粒在圖5(a)的流場內表現出了非常好的流動跟隨性,能夠響應射流孔局部的互相關渦結構,與不含有顆粒的射流氣體發生摻混。并在射流孔局部表現出明顯的優先聚集(preferential concentration)現象,聚集于互相關渦結構的渦核外圍。隨著渦結構增長并破裂、耗散后,在湍流脈動作用下,迅速在流道內恢復均勻分布的狀態。相比之下從對應的P2,P3,P4顆粒圖片中無法觀察到相似的瞬態分布現象。顆粒的慣性使其無法在射流孔局部響應渦結構的發生、卷吸過程,因此不能形成優先聚集現象。

4 結 論

建立了受限空間內射流影響下的主流氣固兩相流動實驗臺。通過實驗段之前的過渡段設計使顆粒均勻充滿整個通道,在下壁面不會發生明顯的堆積現象。在主流雷諾數Rem=7.9×104,射流雷諾數Rej=1.8×104的條件下進行射流實驗。

通過詳細分析通道內的氣流場與顆粒分布,可以認為受限空間內射流結構對主流內的顆粒分布產生影響主要包括兩大機理：

(1)通過在流道內形成一道不含顆粒的氣流屏障,阻礙小尺度顆粒進入該屏障所保護的下游區域。該效應對文中P2,P3顆粒發生明顯作用;

(2)在射流孔下游形成低速區,使顆粒通過與流體發生能量交換降低速度,并在該區域的壁面附近發生聚集。該效應對文中P1,P2顆粒作用明顯;

由此可以預見,壁面射流有望用于慣性粒子分離器和流體機械中,作為一種主動控制手段,影響小尺度顆粒在流道內的分布,包括形成局部氣流屏障,保護重要部位;形成顆粒在射流孔下游的壁面聚集,可通過壁面抽吸分離顆粒。

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