低旋流數旋進射流流動特性的PIV實驗研究

付 豪何創新劉應征

1．上海交通大學機械與動力工程學院 葉輪機械研究所,上海 200240;2．上海交通大學 燃氣輪機研究院,上海 200240

0 引 言

射流廣泛存在于各種工業中,但由于工程實際中受腔體的空間限制,導致流場產生明顯的變化。軸對稱受限射流在一定條件下,存在一種射流體貼著腔體壁面螺旋前進的旋進現象。旋進射流的存在增強了燃料的混合,進而可降低NOx排放以及改善火焰穩定性,因此在各種燃燒室中得到了廣泛的應用[1-2]。與無旋和高旋流噴油器相比,低旋流噴油器在NOx排放方面具有更大的優勢[3-5]。無旋旋進射流流入大的腔體時會再附于壁面并繞軸線開始進動,再附點另一側形成逆壓梯度從而誘導產生一個很大的回流區,這種主要的旋進流動特征會在腔體內部循環,對燃燒性能影響很大。毫無疑問,旋流條件下的旋進射流流動特性會變得更加復雜。因此,獲取射流入口旋流大小對旋進射流流動特性的影響尤為重要。

自旋進射流被發現以來,大量學者對其進行了深入研究。射流流體通過無旋噴嘴進入突然擴張的圓柱形腔體中產生流動分離,并再次附著到腔體內壁面從而產生非軸對稱的流動現象。流動的不穩定性導致再附點軸向和周向移動,誘導射流流體在受限空間中產生螺旋狀的旋進(Precession)現象[6]。這一現象與軸對稱腔室突然膨脹時的流動不穩定性密切相關。旋進射流再附后,一方面導致再附點上游區域形成環流泡,另一方面會在再附點相反的地方形成一個大的回流區[7]。反向流動與環流泡的強烈相互作用平衡了旋進產生的周向動量,同時極大地促進了腔體內部流場的摻混[8]。此外,旋進射流的發生與膨脹比(腔體直徑D與噴嘴直徑d的比值)以及腔體長徑比(腔體長度L與直徑D的比值)密切相關[9]。當雷諾數Re＞1．0×104、膨脹比為5時,旋進僅發生在腔體長徑比2．00～3．50的范圍內,且當長徑比為2．75時,旋進現象最明顯[9]。旋進射流流動是雙穩態的(Bistable),在旋進射流(Precessing Jet,PJ)模式和軸對稱射流(Axial Jet,AJ)模式之間間歇性地、混亂地切換[10],其中軸對稱射流模式是指射流從噴嘴和腔體流出與軸對稱射流相似。旋進射流模式下的內部速度場比軸對稱射流模式下的內部速度場衰減更快[11],且在靠近入口平面處存在2個螺旋結構[12]。此外,卷吸過程對旋進過程中大尺度相干結構的瞬時組織影響較大[13]。

針對自由空間旋轉射流,許多學者進行了深入研究。旋流強度一般用旋流數S表示,定義為旋轉動量通量與軸向動量通量的比值。研究發現旋流數對流動的影響很大,并且存在一個臨界旋流數S＝0.60,當旋流數大于臨界旋流數時,會產生一個中心回流區(Central Recirculation Zone,CRZ)[14]。當旋流數足夠大時,中心回流區不再軸對稱,這個區域的流體圍繞射流軸線旋轉而形成一種螺旋形的流場結構,從而形成旋進渦核(Precessing Vortex Core,PVC)[15]。

由于旋進射流以及低旋流噴油器的優勢,兩者結合在燃燒室中更加普遍。然而,目前對低旋流數旋進射流的研究還比較有限。Dellenback等[16]發現,當上游流動的旋流數小于臨界旋流數時,在這個“低”旋流數的區域中,旋進的方向與旋流的方向相反。然而,由于流場十分復雜,他們的實驗結果僅描述了一些定性的特征。本文利用粒子圖像測速技術對低旋流數旋進射流流動特性進行實驗研究,分別測量了噴嘴出口附近以及腔體出口附近的速度場。通過對比3個旋流數下流向速度時均場、流向速度脈動強度場以及時均渦量場,得到旋流數對流場的影響;同時定量提取流向速度及其脈動強度沿射流中心線以及在不同橫截面的分布來精確描述旋流數對流場的影響;基于速度頻譜分析以及結合典型時刻瞬態場特征,揭示旋流數對旋進射流流場周期性及其瞬態特征的影響。

1 實驗方法

實驗在如圖1(a)所示的長3000 mm、寬550 mm、深700 mm的玻璃水箱中進行。玻璃水箱里裝滿了自來水以確保水位遠遠超過了軸對稱腔體的頂部。流動由安裝在水箱底部的潛水泵驅動,水從泵出口流到一個大的圓柱形沉降室,然后通過給水管和軸向旋流器射入到軸對稱腔室。圓柱形沉降室中布置了蜂窩板、絲網以及孔板來提高流動品質。圖1(b)顯示了軸對稱腔體中旋進射流的一些重要幾何尺寸。這里使用的旋流器與文獻[17]相同,內徑d為40 mm。實驗中選取了旋流數低于臨界旋流數的3個旋流器(S分別為0、0．26和0．41)。軸對稱腔體的長度L和內徑D分別為550 mm和200 mm,膨脹比D/d＝5,腔體長徑比L/D＝2．75。在實驗中,通過變壓器調節水泵功率從而調節流速,流速調整合適后保持不變,確保不同噴嘴流動的雷諾數相同。根據旋流器內徑d以及給水管中的平均速度U0求得雷諾數為4．5×104。

圖1 實驗裝置示意圖和一些重要的幾何尺寸Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup and some important geometric sizes

本文利用平面PIV測量了流向(x-y)平面內的流場,如圖1(b)所示。在水里撒入直徑約為10μm的空心玻璃珠作為示蹤粒子。用一個5 W的連續半導體激光器(532 nm波長)搭配光學鏡片在測量平面上產生1 mm厚的激光面以照亮粒子。用高像素密度CCD(4872 pixel×3248 pixel)相機(IPX 16M,IMPERX,USA)捕獲粒子的流動。用同步器連接相機和激光器,以確保它們精確同步運行。PIV測量區域從噴嘴出口延伸到腔體出口附近,但由于激光強度的限制,照亮的區域有限,因此分別測量I區和II區的速度場。它們的流向測量范圍分別為0～7d和5～14d,有2d的重疊區域是為了方便將兩個區域拼接從而得到全場統計結果。在實驗中,相機以1 Hz的頻率連續記錄了4000幅流動圖像(每個區2000幅)。使用標準的PIV互相關算法(包括窗口偏移、亞像素識別和失真校正)來獲得準確的速度場。詢問窗口大小為32 pixel×32 pixel,重疊率為50%,空間矢量分辨率為1．4 mm×1．4 mm。2幅圖像間粒子位移測量誤差小于0．1 pixel,速度場PIV測量的不確定度小于2%。

2 結果與討論

為了直觀地體現低旋流數對旋進瞬態場特征的影響,對每一旋流數的兩個區域,分別選取典型時刻的瞬態場,結果如圖2～4所示。當旋流數為0,旋進剛剛發生時,在x/d≈6處主流開始向一側壁面彎曲((a),(c),(e),(g)),此時下游的流動也向同一側彎曲但尚未再附到腔體壁面上。這一行為導致另一側的回流加劇。當旋進發生較強烈(以主流起始處的偏轉角度判斷)時,主流在x/d≈4處就開始彎曲,且下游會一直彎曲直至再附于壁面上,之后主流會沿著壁面一直流出腔體。從圖中可以看到,主流不是僅向一側壁面彎曲而是會向腔體兩側彎曲,這是由于再附點不穩定所導致的方位進動在流向平面的表現。當旋流數分別為0．26和0．41時,旋進的起始位置從x/d≈6向上游移動到了x/d≈3和x/d≈2,而旋進起始點向上游移動進一步導致了再附點也向上游移動,從旋流數為0時的x/d≈10變成x/d≈8和x/d≈5。此外可以看到,隨著旋流數的增加,主流的偏轉角度即旋進的強度也逐漸增強。

圖2 旋流數S＝0時4個典型時刻的流向速度云圖Fig.2 Contour plot of streamwise velocity at four typical instants at swirl number S＝0

圖3 旋流數S＝0.26時4個典型時刻的流向速度云圖Fig.3 Contour plot of streamwise velocity at four typical instants at swirl number S＝0.26

圖4 旋流數S＝0.41時4個典型時刻的流向速度云圖Fig.4 Contour plot of streamwise velocity at four typical instants at swirl number S＝0.41

圖5展示了不同旋流數旋進射流在流向平面內的時間平均流線圖以及流向速度云圖。在不同的旋流數下,時均流向速度云圖大致都是對稱的;但隨著旋流數的增加,流向速度衰減越來越明顯。無旋(S＝0)時,射流流出噴嘴大概經過9d流向距離后,其中心位置流向速度衰減到給水管平均流速的一半,而當旋流數分別為0．26和0．41時,射流僅經過3d和2d就達到0．5U0。時均流線圖則表明了無旋時流場中的結構比較對稱,但加入旋流后,流場中的結構不再對稱。這可能是由于加入旋流后,射流流向速度衰減加劇,導致速度很小的地方變得更小,甚至變得與PIV的計算誤差同量級,導致結果不太準確,從而顯得不再對稱。無旋時,由于腔體壁面的限制,流場中存在兩個方向相反的大尺度旋渦結構對稱分布在軸線兩側,旋渦的中心位于x/d≈7．5、y/d≈±1．5。當旋流數增加到0．26時,流場上半部分的旋渦幾乎消失,下半部分的旋渦尺度減小并且向上游移動,旋渦的中心位于x/d≈2．0、y/d≈－1．0。而當旋流數進一步增加到0．41時,上半部分的旋渦再次出現,且尺度變小,旋渦的中心位于x/d≈3．5、y/d≈－1．5;同時下半部分的旋渦尺度進一步減小,其中心位置也進一步向上游移動到x/d≈1．0、y/d≈－0．7。

圖5 時均流線圖及流向速度云圖Fig.5 Streamline pattern and contour plot of timeaveraged streamwise velocity

為了進一步評估流動脈動的劇烈程度,圖6展示了不同旋流數下流向速度脈動強度的空間分布,以無量綱化的流向速度的均方根表示。不同旋流數下的流向速度脈動云圖大致也都是對稱的,隨著旋流數的增加,可以很明顯地看出流向速度脈動強度沿流向衰減也越來越明顯。在無旋時,無量綱流向速度脈動強度經過12d衰減到0．2左右,而當旋流數增加到0．26和0．41時,衰減到0．2分別僅需要6d和4d的流向距離。此外,無旋時,上下剪切層內出現了兩條高脈動條帶,此條帶在向下游發展過程中脈動強度衰減,這說明了剪切層的初始區域存在大尺度相干結構,這種結構隨剪切層的發展而衰減。當旋流數增加到0.26和0．41時,剪切層內的高亮條帶對應的無量綱強度值逐漸減小,脈動強度的衰減逐漸加劇。

圖6 流向速度脈動強度云圖Fig.6 Contour plot of streamwise velocity fluctuation intensity

不同旋流數下時均渦量場的空間分布如圖7所示。在不同旋流數下,渦量都主要存在于內剪切層(Inner Shear Layer,ISL)和外剪切層(Outer Shear Layer,OSL)中并隨其發展而衰減,說明剪切層渦在噴嘴出口開始形成,隨著流體向下游流動而增大。內剪切層起始于y＝±0．15d處,而外剪切層起始于y＝±0．45d處,細節可以查閱參考文獻[17]。此外,外剪切層和內剪切層內的無量綱渦量大小相當,但外剪切層內渦量流向發展的距離大于內剪切層內的渦量流向發展的距離。不同旋流數下,內剪切層渦量流向發展的距離相近,約為d;而對于外剪切層,隨著旋流數從0到0．41,渦量的發展距離逐漸減小,直至與內剪切層內渦量發展的距離相差不大。

圖7 時均渦量分布云圖Fig.7 Contour plot of time-averaged vorticity field

為了更精確地描述低旋流數對旋進射流流場的影響,分別提取了時均流向速度沿射流中心線以及在不同橫截面的分布,如圖8所示。當旋流存在時,射流中心線上的時均流向速度發展到大約7d后衰減至0,且隨著旋流數的增加,衰減得越來越快。此外,中心線上流向速度的最大值也隨著旋流強度的增加而減小并且向上游移動,這是因為旋流會加大速度沿徑向方向發展,從而導致沿流向方向的衰減。而對于不同橫截面的時均流向速度分布,當旋流存在時,6d之后的各個橫截面的流速分布基本一致,幾乎衰減到0;而在6d之前,旋流數越大,其衰減越快。特別是在2d之前,曲線具有兩個峰值,而中心線處的速度相對較小。這是由于旋流器輪轂壁面的影響,導致靠近噴嘴出口附近中心位置出現了一個相對的低速區。

圖8 時均流向速度分布Fig.8 Profiles of time-averaged streamwise velocity

圖9展示了流向速度脈動強度沿射流中心線以及在不同橫截面上的分布。無旋時,在7d范圍內無量綱流向速度脈動強度沿中心線先減小后增大,但總體差別不是很大,都在0．2左右。當加入旋流時,脈動強度沿中心線的變化十分明顯,呈現出先減小后變大最后變小的趨勢,且存在一個相對較大的極大值和較小的極小值。脈動強度先減小的區域對應的是上面提到的由于輪轂影響形成的低速區,而脈動強度增大后再減小則是由于射流向下游發展的衰減導致的。隨著旋流數的增加,該變化曲線的極值點(極大值和極小值)向上游移動,且極大值變小,極小值變大。這說明旋流會改變射流中心線上的脈動強度,并且隨著旋流數的增加,噴嘴出口附近中心位置低速區范圍減小,射流的衰減加劇,軸向速度脈動能量減小。從不同橫截面的時均流向速度脈動強度分布中,可以發現在前2d范圍內,旋流數對橫截面的脈動強度分布影響不大。當超過2d之后,可以看到大旋流數下脈動強度明顯的衰減。

圖9 流向速度脈動強度分布Fig.9 Profiles of streamwise velocity fluctuation intensity

為了進一步評估低旋流數對旋進射流周期性的影響,對流場中靠近腔體壁面某一點的流向速度時間序列做快速傅里葉變換及歸一化處理后得到的功率譜密度如圖10所示。在不同的旋流數下,兩個區域內都存在一個量級為10－3的斯特勞爾數峰值,根據文獻[18]可以得到,該峰值對應的頻率正是旋進的頻率。單獨看區域I或者區域II,可以看到旋進的頻率隨著旋流數的增加而增大。此外,對比區域I和區域II同一旋流強度下的結果,可以看到當旋流數為0和0．26時,區域II的旋進頻率低于區域I中的頻率,而當旋流數增加到0．41時,區域II的頻率反而大于區域I中的頻率。這說明無旋時旋進自身的頻率是沿著下游發展衰減的,但當加入一定的旋流強度時,旋進在下游的頻率反而有所增加。

圖10 流向速度的功率譜密度Fig.10 Power spectral density(PSD)of streamwise velocity

3 結 論

本文通過PIV技術,實驗研究了低旋流數旋進射流的流動特性。通過對比分析3個不同旋流數下的時均流向速度場、流向速度脈動強度場以及時均渦量場的變化規律,得到以下結論:

1)隨著旋流數的增加,流向速度及其脈動強度衰減加劇。無旋時,射流的勢流核心區(Potential core)位于x/d＜6范圍內,而當旋流數增加到0．26和0．41時,勢流核心區減小到位于x/d＜2．5和x/d＜2區域內;同時,旋流數增加會導致回流區向上游移動且尺度越來越小,噴嘴出口附近中心位置低速區范圍減小。

2)旋流會導致射流中心線上x/d≈3附近的流向速度脈動強度急劇增加,并在此區域下游急劇減小。這是由于旋流會導致下游流向速度衰減加劇,從而導致脈動強度也急劇減小。

3)旋流會加速外剪切層內的旋渦結構的軸向衰減,旋流數越大效果越明顯,而其對內剪切層的影響較小。

4)旋流會影響旋進的頻率:隨著旋流數的增加,旋進的頻率有所增加。

5)隨著旋流數的增加,旋進起始位置距離噴嘴出口的軸向距離越來越近。從無旋時的x/d≈6處依次向上游移動到x/d≈3(旋流數為0．26)和x/d≈2(旋流數為0．41)處。此外,旋進的劇烈程度也隨旋流數增加而逐漸增強。