液固兩相湍流邊界層相干結構的PIV實驗研究

趙會靈, 孫 姣,3, 軒瑞祥, 陳文義,*

(1. 河北工業大學 過程裝備與控制工程系, 天津 300130; 2. 河北工業大學 工程流動與過程強化研究中心, 天津 300130; 3. 天津大學 機械學院工程力學系, 天津 300350)

液固兩相湍流邊界層相干結構的PIV實驗研究

趙會靈1,2, 孫 姣1,2,3, 軒瑞祥1,2, 陳文義1,2,*

(1. 河北工業大學 過程裝備與控制工程系, 天津 300130; 2. 河北工業大學 工程流動與過程強化研究中心, 天津 300130; 3. 天津大學 機械學院工程力學系, 天津 300350)

液固兩相湍流是工業和工程中常見的流動狀態，研究顆粒—湍流兩相之間的作用規律和湍流調制的機理，對有效調控化工過程傳熱傳質具有重要意義。采用粒子圖像測速技術(PIV)對液固兩相平板湍流邊界層進行實驗研究，分析在同一來流速度下加入固相顆粒和清水時水平板湍流邊界層的平均速度剖面、湍流強度變化情況。通過空間局部平均速度結構函數和相干結構條件采樣技術，提取并對比壁湍流相干結構“噴射”和“掃掠”事件的脈動速度、雷諾切應力以及展向渦量的二維空間拓撲形態。發現，同清水工況相比，湍流邊界層緩沖層有變薄的趨勢，對數律區內移，湍流強度和雷諾切應力均有所增強。相干結構在猝發時，脈動速度增強，雷諾切應力相對增大，展向渦量的發展受到促進，這表明實驗中顆粒的存在使得湍流邊界層中流體脈動增強，相干結構“噴射”和“掃掠”的強度相應增大，動量和能量的輸運增強。

液固兩相流；湍流邊界層；相干結構；PIV；空間局部平均速度結構函數

0 引 言

液固兩相流廣泛存在于自然界、能源以及化工等各個領域[1]。從河流泥沙輸運，到海洋流中固體顆粒的沉積，再到化工反應設備中攪拌、過濾等單元操作，顆粒對于湍流的作用機理一直是人們重點關注的研究領域。

相干結構在湍流邊界層中扮演著十分重要的角色，對于湍流的產生和維持機制起著關鍵作用[2]。隨著邊界層相干結構的研究發展，顆粒相的存在對近壁湍流影響機理的研究也越來越多。以往的研究表明，湍流場中加入顆粒后，湍流強度會受到顯著影響。Gore等[3]整理實驗數據，發現流體湍流度與加入的顆粒直徑有關，小粒徑顆粒會抑制流體的湍流強度，大粒徑顆粒會增強流體湍流強度。Rashidi等[4]首先在水平明渠流中研究了近壁區顆粒對湍流結構的影響作用。研究結果發現大顆粒會增加近壁區相干結構的猝發頻率，從而增強流體的湍動強度，而小尺寸顆粒則減少壁面附近的猝發頻率，降低流體的湍動強度。Kaftori等[5]對低濃度懸浮顆粒水平槽道壁湍流的研究發現，顆粒加快了促發事件的猝發周期，并使近壁雷諾應力增加，粘性底層的法向速度也隨之增大。Kulick[6]等利用激光多普勒(LDV)研究垂直湍槽流，結果表明當加入的顆粒粒徑小于1個柯爾莫哥洛夫尺度時，流體的湍流度會有所下降。Sato和Hishida[7]借助數字粒子圖像測速技術(DPIV)發現，當顆粒直徑大于3倍的柯爾莫哥洛夫尺度時，緩沖層和對數律層的湍流度都會有不同程度的增強。Li等人[8]對水平近壁邊界層內聚苯乙烯顆粒對于湍流結構的影響進行研究，結果發現顆粒使得湍流粘性底層更薄，流向速度梯度增大。Taniere等[9]，Kigerd等[10]和Guo等[11]的實驗也均表明顆粒的存在引起了平均流動的減弱和湍流強度的增大。余釗圣等[12]對含有中性懸浮大顆粒的槽道流進行雙重數值模擬，結果表明顆粒的存在削弱了大尺度準流向渦結構，從而削弱了近壁區流向的脈動強度；由顆粒誘導出的小尺度渦結構導致橫向和展向脈動強度增大。Pan[13-14]等人利用直接數值模擬(DNS)研究了不同尺寸顆粒對于壁湍流的影響，結果顯示顆粒的存在會增強流體的脈動強度和雷諾應力，較大直徑顆粒時這種變化會更為明顯。

綜上所述，液固兩相流中顆粒的存在可以改變流體的各種湍流統計量，但是對于該結果的邊界層區域實驗數據相對較少，因此無法從機理上充分解釋顆粒對于流體的影響機理。本文利用PIV測量技術，突破以往湍流空間單點測量的局限性，針對加入顆粒前后邊界層的平均速度剖面，湍流度及雷諾應力等湍流特性進行研究，同時將統計量與湍流邊界層的相干結構猝發事件的運動規律結合起來，分析顆粒對于邊界層猝發事件相干結構的影響。

1 實驗裝置及參數

實驗在河北工業大學PIV流體力學實驗室的中型低速循環水槽中進行，其背景湍流度小于0.8%，實驗段尺寸為2500mm×500mm×600mm，水流流速在0～0.5m/s內連續可調。實驗所用有機玻璃平板尺寸為2000mm×500mm×15mm(長×寬×厚)，平板前緣按8∶1的半橢圓進行修形，為得到充分發展的湍流邊界層，在距平板前段100mm處安置直徑為5mm的拌線，并通過調節后緣板將平板表面沿流向的靜壓力梯度調節至接近于零。實驗平板利用支架使其在距水槽底部250mm處水平放置。

實驗過程中激光片光源、CCD相機和平板的相對位置示意圖如圖1所示。激光片光源位于水槽展向中心線處，并平行于水槽兩側壁、垂直于平板。CCD相機位于水槽一側，鏡頭與片光保持平行，相機拍攝區域距位于距平板前緣1200mm處。

實驗時水槽自由來流速度保持在0.26m/s，環境溫度為20℃，此時水的密度為998kg/m3，運動粘度為1.006×10-6m2/s。利用雙幀雙曝圖像采集模式，此時相機采樣頻率為60Hz，曝光時間為1000μs，2幀之間時間間隔為800μs，每次采集樣本量為8000對。圖像分辨率為2048pixel×2048pixel，拍攝區域大小為100mm×100mm，利用互相關算法對原始圖像進行處理，查詢窗口大小為32pixel×32pixel，窗口重疊率為75%，因此可得到具有256×256個速度矢量的瞬時速度場。

2 實驗結果分析

2.1 平均速度分布

將實驗結果按經驗公式u+=2.5lny++5.5進行擬合得到流場中分別加入顆粒和清水2種工況下平板表面同一位置處無量綱平均速度沿法向位置的分布剖面曲線，如圖2所示。橫軸y+=yu*/v，縱軸u+=u/u*，其中u*為對應壁面摩擦速度，v為流體運動黏度。從圖中可以看出，壁湍流平均速度剖面的緩沖層變薄，對數律區下移，即在近壁區域(y+<200)，相同的法向y+位置處，加入顆粒后的無量綱速度u+相比于清水的無量綱速度有明顯減小。y+>200區域，兩者的無量綱速度逐漸趨于一致。經過分析得知，顆粒由于自身重力會在近壁區聚集，對液相存在曳力作用，導致流場速度有所下降；而在外區，顆粒聚集較少，對于液相的作用逐漸減小，從而液相的速度值趨近于清水。這與Pang[17]和余釗圣[12]的數值模擬結果相吻合。

2.2 湍流強度及雷諾應力

2種工況下壁面湍流邊界層中湍流度分量的分布曲線如圖3(a)和(b)所示，從圖中可以看出與清水時相比，顆粒的存在使得湍流強度沿法向位置y+發生了一些變化，但兩者的變化趨勢大體一致。對于流向湍流度，當y+<30，湍流度沿y+逐漸增大，在y+=30左右達到最大值；30

Fig.3TurbulentintensityandReynoldsshearstressdistributionsinthewall-normaldirection

3 湍流多尺度相干結構猝發事件檢測

相干結構維持著湍流的能量和動量的運輸，是湍流產生的重要機制，本文對流向速度沿流向空間的分布進行多尺度分析[18]，流向脈動速度沿流向空間的局部平均結構函數為：

在檢測湍流多尺度相干結構時，在低速流體從近壁區向外噴射階段，當地流向脈動速度u′<0且達到局部極小值，δux(x0,y0,l)從負的方向向正的方向變化并經過0點，流動結構流向上上游在壓縮，下游在拉伸；與此同時低速流體抬升遠離壁面，法向脈動速度v′>0且達到局部極大值，δvy(x0,y0,l)從正的方向向負的方向變化并經過0點，流動結構法向上上游在拉伸，下游在壓縮。

高速流體由外區沖向壁面的掃掠階段，當地流向脈動速度u′>0且達到局部極大值，δux(x0,y0,l)從正的方向向負的方向變化并經過0點，流動結構流向上上游在拉伸，下游在壓縮；與此同時高速流體向下沖向壁面，法向脈動速度v′<0且達到局部極小值，δvy(x0,y0,l)從負的方向向正的方向變化并經過0點，流動結構法向上上游在壓縮，下游在拉伸。因此，湍流結構的檢測函數——新象限分裂法[19]定義如下:

D(x0,l，y)=

基于新象限分裂法檢測多尺度相干結構猝發事件，運用空間相位平均方法[20]，提取“噴射”和“掃掠”

事件脈動速度分量、雷諾切應力、展向渦量等物理量的二維平均拓撲形態。如果“噴射”和“掃掠”事件中心位置被檢測到，各物理量在一定尺度范圍內的空間相位平均拓撲計算公式為：

if:D(x0(k),y0(k),l)=1

x∈[-lx,lx],y∈[-ly,ly]

if:D(x0(k),y0(k),l)=-1

式中：(x0(k),y0(k))是第k次檢測到“噴射”或“掃掠”發生的中心空間位置;lx、ly分別是拓撲結構空間的流向和法向尺度；N和M分別代表檢測到“噴射”和“掃掠”發生的次數。

3.1 “噴射”事件

根據前文所述的提取湍流相干結構的方法，本文主要以對數律區y+=100為檢測中心，對加入顆粒和清水時水平板湍流邊界層相干結構在“噴射”階段的二維相關物理量的空間拓撲結構進行分析討論，如圖4所示。從圖中可以看出，本文采用的檢測方法很好地檢測到了2種實驗工況下“噴射”階段的相干結構，即上方的低速流體向下運動時，下方高速運動的流體被迫減速并向上運動。加入顆粒后湍流相干結構的二維拓撲形態與清水時相似，這說明脈動速度沿流向和法向方向上，雷諾切應力和展向渦量在流向方向上皆具有準周期性，相干結構表現出很強的擬序特性。

相干結構“噴射”事件流向脈動速度的分布云圖如圖4(a)所示，通過對比發現，加入顆粒后脈動速度值較大的區域相對于清水有所增大，使流場流動的脈動速度梯度增大，這說明顆粒的存在增強了壁湍流相干結構的脈動，使相干結構的“噴射”強度增大，從而加大了流體猝發的幾率。相干結構“噴射”事件法向脈動速度分布云圖如圖4(b)所示，加入顆粒后，“噴射”中心法向脈動速度幅值較大的區域范圍雖沒有明顯變化，但其所對應的脈動值要大于清水的脈動速度，這表明顆粒的存在，促使流體的法向脈動增強，從而增大了湍流傳輸強度。在湍流運動中，雷諾切應力是流體脈動引質點間動量交換而產生的附加應力，其值愈大表示流體質點的動量交換愈大，脈動愈劇烈。相干結構“噴射”事件雷諾切應力的二維拓撲形態如圖4(c)所示，加入顆粒相后流場的雷諾切應力明顯大于清水相，這是由于顆粒的存在帶動了周圍流體的運動，并與之產生動量交換，從而使雷諾切應力有所增大。從相干結構“噴射”事件展向渦量的云圖如圖4(d)所示，加入顆粒后渦量正負幅值較高的范圍相對于清水時有所增大，即“噴射”事件的展向渦量在一定程度上得到了增強，這說明顆粒的存在促使展向渦旋運動，加速低速條帶的形成和發展，從而增強了湍流猝發強度。

3.2 “掃掠”事件

加有固體顆粒和清水的壁湍流相干結構，在“掃掠”事件中二維拓撲形態如圖5所示。從圖中可以看出，本文很好地檢測到了壁湍流相干結構的“掃掠”事件，即上方為高速流體，下方為低速流體，高速流體向下方俯沖從而導致下方低速流體加速運動。與“噴射”階段湍流相干結構類似，加入顆粒后，湍流相干結構的二維平均拓撲形態在“掃掠”階段并沒有發生改變，高速流體和低速流體交替分布，進而表現出了很強的擬序特性。

由相干結構掃掠事件流向脈動速度云圖(見圖5(a))可以看出，相比于清水時，加入顆粒后“掃掠”事件低速流體區域有明顯減少，高速流體區域增加，顆粒的加入使上游下掃的高速流體與周圍的流體之間的速度梯度增大，促進了相干結構的猝發過程。對比加入顆粒和清水的壁湍流相干結構的法向脈動速度分布，如圖5(b)所示，加有顆粒后對法向脈動速度的影響與“噴射”時的影響不同，即與清水的法向脈動速度相比，加入顆粒相后相同位置處法向脈動速度減小，湍流的輸運能力有所減弱。從相干結構“掃掠”事件的雷諾切應力的二維平均拓撲形態(見圖5(c))可以看出，顆粒的存在使相干結構“掃掠”階段的雷諾應力變化與“噴射”階段相似，與清水時相比，強度有所增強，這說明湍流動量交換增強，湍流的脈動受到促進。此外，由相干結構“掃掠”事件的展向渦量云圖(見圖5(d))也可以看出，加有顆粒的相干結構展向渦量相比于清水時有一定程度的增強，并且正的展向渦量以及渦量正值較高的范圍有所增大，這表明該位置處展向渦的發展得到促進，渦強增大，即誘導外區高速流體沖向壁面的能力增大，加劇近壁區內流動不穩定性。

4 結 論

本文通過運用PIV測量技術對液固兩相和清水相2種不同工況下水平板湍流邊界層進行研究分析，得到如下結論：

(1) 與清水時相比，顆粒的存在使邊界層緩沖層厚度減小，對數律區下移，相同法向位置處的流向平均速度有所下降。邊界層湍流強度以及雷諾切應力的幅值整體變大。說明顆粒的存在使得湍流邊界層中流體的脈動增強，促使流體運動過程中的能量和動量的輸運能力增強。

(2) 加入顆粒后的流體在近壁區存在湍流相干結構，猝發事件的二維平均拓撲形態結構與清水時相似。顆粒的存在對猝發事件產生了一定的影響：2種猝發事件中雷諾切應力的增大表明近壁區內湍流動量和能量的輸運能力增強。顆粒的存在使得展向渦量增大，促進了渦對誘導流體的能力，導致近壁區湍流猝發加劇，湍流不穩定性得到增強。

[1]岳湘安. 液-固兩相流基礎[M]. 北京: 石油工業出版社, 1996.

[2]Smith C R, Walker J D A, Haidari A H, et al. On the dynamics of near-wall turbulence[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B Biological Sciences, 1991, 336(1641):131-175.

[3]Gore R A, Crowe C T. Effect of particle size on modulating turbulent intensity[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1989, 15(2): 279-285.

[4]Rashidi M, Hetsroni G, Banerjee S. Particle-turbulence interaction in a boundary layer[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1990, 16(6):935-949.

[5]Kaftori D, Hetsroni G, Banerjee S. The effect of particles on wall turbulence[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1998, 24(3):359-386.

[6]Kulick J D, Fessler J R, Eaton J K. Particle response and turbulence modification in fully developed channel flow[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1994, 277:109-134.

[7]Sato Y, Hishida K. Transport process of turbulence energy in particle-laden turbulent flow[J]. International Journal of Heat & Fluid Flow, 1996, 17(3):202-210.

[8]Li J, Wang H, Liu Z, et al. An experimental study on turbulence modification in the near-wall boundary layer of a dilute gas-particle channel flow[J]. Experiments in Fluids, 2012, 53(5):1385-1403.

[9]Tanière A, Oesterlé B, Monnier J C. On the behaviour of solid particles in a horizontal boundary layer with turbulence and saltation

effects[J]. Experiments in Fluids, 1997, 23(6):463-471.

[10]Kiger K T, Pan C. Suspension and turbulence modification effects of solid particulates on a horizontal turbulent channel flow[J]. Journal of Turbulence, 2002, 3(10):27-29.

[11]郭福水, 王漢封, 柳朝暉, 等. 水平槽道內湍流變動的PTV實驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2004, 25(4):622-624.Guo F S, Wang H F, Liu Z H, et al. Experimental investigations on turbulence modulation in a horizontal channel flow using PTV[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2004, 25(4):622-624.

[12]余釗圣, 王宇, 邵雪明, 等. 中性懸浮大顆粒對湍槽流影響的數值研究[J]. 浙江大學學報(工學版), 2013, 47(1):109-115.Yu Z S, Wang Y, Shao X M, et al. Numerical studies on effects of neutrally buoyant large particles on turbulent channel flow[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2013, 47(1):109-115.

[13]Pan Y, Banerjee S. Numerical simulation of particle interactions with wall turbulence[J]. Physics of Fluids (1994-present), 1996, 8(8):2733-2755.

[14]Pan Y, Banerjee S. Numerical investigation of the effects of large particles on wall-turbulence[J]. Physics of Fluids, 1997, 9(12):3786-3807.

[15]Crowe C T, Gore R A, Troutt T R. Particle dispersion by coherent structures in free shear flows[J]. Particulate Science & Technology, 1985, 3(3):149-158.

[16]Vinkovic I, Doppler D, Lelouvetel J, et al. Direct numerical simulation of particle interaction with ejections in turbulent channel flows[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2011, 37(2): 187-197.

[17]Pang M J, Wei J J, Yu B. Numerical investigation of phase distribution and liquid turbulence modulation in dilute particle-laden flow[J]. Particulate Science & Technology, 2011, 29(6): 554-576.

[18]姜楠, 管新蕾, 于培寧. 雷諾應力各向異性渦黏模型的層析TRPIV測量[J]. 力學學報, 2012, 44(2): 1037-1042.Jiang N, Guan X L, Yu P N. Tomographic TRPIV measurement of anisotropic eddy-viscosity model for coherent structure Reynolds Stress[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2012, 44(2): 1037-1042.

[19]Yang S Q, Nan J. Tomographic TR-PIV measurement of coherent structure spatial topology utilizing an improved quadrant splitting method[J]. Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2012, 55(10): 1863-1872.

[20]姜楠, 于培寧, 管新蕾. 湍流邊界層相干結構空間拓撲形態的層析TRPIV測量[J]. 航空動力學報, 2012, 27(5): 1113-1121.Jiang N,Yu P N, Guan X L. Tomo-TRPIV measurement of coherent structure spatial topology in turbulent boundary layer[J]. Journal of Aerospace Power, 2012, 27(5): 1113-1121.

Experimentalstudyofcoherentstructuresinasolid-liquidturbulentboundarylayer

Zhao Huiling1,2, Sun Jiao1,2,3, Xuan Ruixiang1,2, Chen Wenyi1,2,*

(1. Department of Process Equipment and Control Engineering,Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. Research Center of Engineering Fluid and Process Equipment ,Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 3. Department of Mechanics, School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China)

Solid-liquid turbulent flows are common in industrial and engineering processes.Study of the interactions between particles as well as turbulence and turbulence modulation is extremely significant, which can play an guidance role in practical engineering application for heat and/or mass transfer in chemical processes.Coherent structure in the turbulent boundary layer of particle-laden flows is experimentally investigated using Particle Image Velocimetry (PIV). Study of the change of the mean velocity profile and the turbulent intensity in the horizontal turbulent boundary layer of water and with polythene is conducted, which is used as the dispersed phase.Based on the concept of multi-scale spatial locally averaged structure function, conditional sampling and phase average methods are employed to extract and analyze the spatial topologies of the streamwise and normal fluctuating velocities, spanwise vorticity, Reynolds shear stress of the ejection and sweep events.The results show that the buffer layer of the turbulent boundary layer has thinning tendency and logarithmic layer down-shift, the turbulence intensity and the Reynolds stress are also enhanced due to the existence of particles.The amplitude of longitudinal and vertical fluctuating velocity components, as well as that of the spanwise vorticity and Reynolds shear stress can be manipulated obviously both in ejection and sweeping events, all parameters were increased. It imply that the turbulence intensity in the near-wall region in the two burst events increase, and the momentum and energy transport strengthen for the exist of particle in the experiment.

particle-laden flows; turbulent boundary; coherent structure; PIV; multi-scale spatial locally-averaged structure function

2016-12-23;

2017-05-04

國家自然科學基金項目(11572357)；國家自然科學基金青年科學基金項目(11602077)

*通信作者 E-mail: cwy63@126.com

ZhaoHL,SunJ,XuanRX,etal.Experimentalstudyofcoherentstructuresinasolid-liquidturbulentboundarylayer.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(6): 29-36. 趙會靈, 孫 姣, 軒瑞祥, 等. 液固兩相湍流邊界層相干結構的PIV實驗研究. 實驗流體力學, 2017, 31(6): 29-36.

1672-9897(2017)06-0029-07

10.11729/syltlx20160199

O357.5+2

A

趙會靈(1990-)，女，河北石家莊人，碩士研究生。研究方向：化工過程多相流。通信地址：天津市紅橋區光榮道8號河北工業大學300#信箱(300130)。 E-mail：zhl_2010@126.com

(編輯：楊 娟)