90°方形彎管內部流場PIV試驗

馬皓晨,代 翠,董 亮,吳賢芳

(1.江蘇大學機械工程學院,江蘇鎮江 212013;2.江蘇大學流體機械工程技術研究中心,江蘇鎮江 212013)

90°方形彎管內部流場PIV試驗

馬皓晨1,代 翠2,董 亮2,吳賢芳2

(1.江蘇大學機械工程學院,江蘇鎮江 212013;2.江蘇大學流體機械工程技術研究中心,江蘇鎮江 212013)

為了揭示不同進口流速情況下90°方形彎管內部流動特征,在構建90°方形彎管專用PIV試驗臺的基礎之上,對彎管內不同斷面以及不同半徑上的流速分布情況進行了PIV測試試驗。試驗結果表明:采用PIV技術能較好地獲得彎管內部流動情況;流體未進入彎曲段時,各斷面流速分布變化不大;而進入彎曲段后,由于受到彎管壁的約束形成旋轉流動,彎管內側流速增大,外側流速降低;當轉過60°位置后,彎管內側流速降低,外側流速增加;到達90°位置后,各斷面的流速基本趨于一致。不同半徑處的流速分布不相同,彎管內側流速較大,外側較小,在50°、60°處流速達到最大值;彎管不同的進口流速對于速度峰值的位置有一定的影響,而對于彎管內其他的流動情況影響較小。

90°方形彎管;粒子圖像測試;流場分析;雙葉片泵

在石油、化工、水利等領域中,常用彎管來實現流體的輸運以及熱量和質量的傳遞。彎管內流體的流動受到諸多因素的影響,尤其是在來流速度變化時,彎管內的流場呈現出十分復雜的流動特性,如在管壁附近形成分離區,管道橫截面上產生二次流動,這些現象不僅造成流體總壓和能量損失而導致熱量、質量交換效率降低,而且還會產生較大的流動噪聲,所有這些流動現象都會造成管內流體能量的損失,因而對水力機械過流部件的效率有著重要影響,故彎管內的流體流動一直受到研究者的關注[1-6]。

Kliafas等[7]應用非接觸激光測量方法對90°方形彎管內流場進行了研究,測量了90°方形管道從豎直到水平段內的流動情況。徐俊等[8]利用激光多普勒測速儀(LDV)測量了180°矩形彎管的流場,獲得了流場的時均流速、湍流強度等數據,給出了180°矩形彎管時均切向流速、時均軸向流速和湍流強度沿周向和軸向的分布曲線。杜彩虹等[9]利用智能型五孔球探針測量了180°矩形彎管的流場,同時利用FLUENT流體計算軟件,采用Realizable k-ε湍流模型對彎管的流場進行了數值模擬,并重點考察了切向速度和壓力的變化。趙懿等[10]采用二維激光多普勒測速儀和五孔探針測得4片90°彎管Z形組合在不同彎管間距下水流特征斷面上的三維流場、壓力分布以及紊動特性的沿程變化等,并探討了雙彎管局部阻力相鄰影響的機理。謝龍等[11]利用激光粒子圖像測速技術(particle image velocimetry, PIV)對閥體后90°圓截面彎管的內部流場進行了測量,分別在不同閥體開度和流速工況下測得了彎管內大量高分辨率瞬態速度場數據,并對其進行統計分析,研究了時均速度場、流線圖譜及渦量場等相關流場特征。

關于90°方形彎管在不同流速情況下彎管內的流動,無論是理論研究還是試驗研究都較少見,至今鮮有關于90°方形彎管內三維紊流流場的研究報道,而這類彎管在工農業中的應用卻十分廣泛,為此,本文結合某工程實際問題,對前端配置雙葉片泵的90°方形彎管內部流場進行分析。

1 試驗裝置和測量方法

1.1 試驗臺構造

圖1為90°方形彎管試驗裝置示意圖。測試設備主要有變頻控制柜、三相異步電機、電磁流量計等。試驗時,通過變頻控制柜對電機進行無級調速,流量由電磁流量計測得。

圖1 90°方形彎管試驗裝置

試驗用彎管結構如圖2所示。為了便于PIV測量,彎管采用有機玻璃鑄造,有機玻璃質地均勻,無氣泡、雜質,各個表面拋光處理,粗糙度達到3.2級。90°方形彎管的具體參數見表1.

表1 90°方形彎管參數

1.2 PIV測試系統

試驗采用美國TSI公司產的商用PIV系統,主要包括:YAG200-NWL型脈沖激光器(單脈沖能量為200 mJ)、630059 POWERVIEW型4MP跨幀CCD相機(分辨率為2048像素×2048像素)、Insight 3G圖像采集及分析系統(其查問區最小可達4像素× 4像素)、610035型同步器、用于將同步觸發信號傳送給同步器的同步觸發控制器主機和光纖傳輸轉換器、610015型光臂、片光源透鏡組等.

圖2 90°方形彎管結構示意圖

1.3 測試方案

PIV測量截面為沿主流方向,測量區域為彎管段。試驗共測量1 m/s和2 m/s兩個不同的進口流速(通過出口閥門來調節流量從而改變彎管進口流速),且在每個流速下,測量6個斷面,分別為距彎管中間斷面10 mm、20 mm以及30 mm的斷面(兩側對稱),為便于標記,以彎管進口方向最左邊平面為基準(z=0 cm),則6個斷面分別記為z=10 mm、20 mm、30 mm、50 mm、60 mm、70 mm。

1.4 測試步驟

通過變頻器將模型泵轉速調到1 000 r/min,并通過出口閥門改變流量,測量流場,依次重復直至完成所有方案的測量。具體試驗步驟如下:

a.連好線后打開計算機、同步器、激光器等。

b.啟動模型泵,調節泵轉速為1000 r/min。

c.調節激光的光腰,使其在測量區域中心附近,并使片光面與測量斷面重合。

d.添加示蹤粒子,控制粒子濃度。

e.調節相機焦距,使拍攝的圖片清晰,粒子微微曝光。

f.調節出口閥門,使模型泵輸出流量為23 m3/h(對應彎管進口平均流速為1m/s)。

g.在Insight 3G中設置試驗參數,拍攝零時刻的100組流場圖像并保存。

h.調節出口閥門,使模型泵輸出流量為46 m3/h(對應彎管進口平均流速為2m/s),重復步驟g。

i.試驗結束,對拍攝的圖片進行處理。

2 試驗結果與分析

2.1 徑向流速分布

圖3給出了進口平均流速為1 m/s時,z=30 mm斷面各個位置上的時均流速分布曲線,可以看出,對于同一斷面而言,當流體未進入彎曲段,即在xH= 1056mm和θ=0°時,彎管內流速分布變化不大;而在流體進入彎曲段后,流速分布開始逐漸發生變化,彎管內側流速逐漸增大,最大值在徑向中心線上r*=0.9附近,數值約為1.2 m/s,外側流速逐漸減小,這種變化趨勢延續到θ=60°處達到最大值,此時,彎管內側流速開始減小,外側切向流速逐漸增大,流速的峰值由內壁向中心r*=0.5處移動,隨著θ繼續增大,流速的峰值繼續向外壁移動,而近外壁的流速繼續升高,θ=90°處不同斷面的流速變化較小,基本趨于一致。對于不同斷面,流速分布情況略有區別,說明彎管各個斷面內流速分布情況并不一致,存在一定的波動,從而導致不同斷面流速分布出現差異。

圖4為進口平均流速為2 m/s時,z=20 mm和z=60 mm斷面上的時均流速分布情況,可以看出,當流體未進入彎曲段,即在xH=1 056 mm和θ=0°時,流速分布變化不大,且相互對稱斷面(z=20 mm與z=60 mm關于彎管中間斷面對稱)的流動情況基本相同;流體進入彎曲段后,對稱斷面流速分布出現了一些差異,這是因為流體進入彎管之后就為旋轉流動,使得從θ=0°到θ=90°之間不同斷面的流速方向發生變化,流體進入彎管內會出現二次流動,影響了不同斷面上流速的分布。

2.2 不同半徑流速分布

圖5為進口平均流速為1m/s時,不同半徑上(指相同截面不同r時的流速變化情況)的時均流速分布曲線,可以看出,由于流體運動受到彎管曲率和離心力的影響,導致徑向壓力分布不均勻,形成徑向壓力梯度,導致切向流速在徑向上分布不均勻。此外,由于彎管壁面存在黏性層和摩擦阻力的影響,使壁面附近的切向流速急劇減小,而主流方向流速增加。彎管外側所受壓力較大,且具有較大的離心力,故切向速度較大,主流方向流速相對較小,而在θ=50°、60°處的流速的變化趨勢達到最大值,即彎管內側流速最大,外側最小,之后主流流體由于離心力作用向彎管外側靠近,內側與外側流速也開始相應發生變化。

2.3 不同斷面流場分布

彎管內不同斷面的流動特征如圖6和圖7所示,可見,無論在何種進口流速情況下,彎管出口的直線段靠近彎管內側處存在低速區,這是由于在彎曲區域離心力的作用下,使器壁附近的切向流速急劇減小,且彎管內側表面附近的切向流速分布也發生較大的變化。此外,整個拍攝區域的彎管外側近壁處附近區域內存在低速區,且不同斷面的高速區面積有較大差異。

圖3 z=30 mm斷面沿主流方向的時均流速分布

圖4 z=20 mm和z=60 mm斷面沿主流方向的時均流速分布

圖5 不同半徑時均流速分布

圖6 進口平均流速1 m/s時彎管內不同斷面流動特征(單位:m/s)

圖7 進口平均流速2 m/s時彎管內不同斷面流動特征(單位:m/s)

3 結 論

a.流體進入彎曲段后,彎管內側流速逐漸增大,最大值在徑向中心線上r*=0.9附近,數值約為1.2 m/s,外側流速逐漸減小,這種變化趨勢延續到θ=60°處達到最大值;此后彎管內側流速開始減小,外側切向流速逐漸增大,流速的峰值由內壁向中心r*=0.5處移動,隨著θ繼續增大,流速的峰值繼續向外壁移動,而近外壁的流速繼續升高,到θ=90°處不同斷面的流速變化較小,基本趨于一致。

b.彎管內側流速最大,外側最小,且在θ=50°、60°處流速的變化趨勢達到最大值。

c.彎管不同的進口流速對于流速峰值的位置有一定的影響,而對于彎管內其他的流動情況影響較小。

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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 編輯:熊水斌)

國家自然科學基金(51179075);江蘇省工業科技支撐計劃(BE2012131);江蘇省研究生創新計劃(CXZZ12_0680);江蘇大學高級人才啟動基金(12JDG082)

馬皓晨(1975—),女,江蘇海安人,講師,碩士,主要從事泵內流測試研究。E-mail:mahaochen@gmail.com