激光流場測試技術在水力旋流器中的應用

張 玉 劉 姝 胡雷靜 王振波 齊建濤 孫杰文

（中國石油大學（華東）新能源學院）

水力旋流器是利用離心力場實現分離的高效分離設備，具有結構簡單、分離效率高、運行成本低及占地面積小等優點，已廣泛應用于礦物、石化及污水處理等眾多工業領域。旋流器雖然結構簡單，但其內部流場相當復雜。分析水力旋流器內部流場規律，掌握旋流器參數與流場分布之間的關系［1］，對廓清旋流器分離機制、提高旋流器分離性能，具有十分重要的意義。

目前研究水力旋流器內部流場的主要方法有：理論研究、數值模擬和實驗測試。其中實驗測試是最基礎、最可靠的方法。自20世紀50年代開始，眾多學者開展了對水力旋流器內部流場的實驗研究。目前常用的激光流場測試技術有：激光多普勒測速技術（LDV）、相位多普勒粒子分析儀（PDPA）、粒子圖像測速技術（PIV）、體三維流場測速系統（V3V）等。筆者對幾種非接觸式激光流場測試技術的基本原理和優缺點進行綜述，同時對不同激光流場測試技術在水力旋流器流場測試中的應用進行了分析和介紹，詳細敘述了不同激光流場測試技術在水力旋流器流場測試中的測試細節、測試內容以及各自的優勢和局限，以期對后續研究工作提供借鑒與指導。

1 激光流場測試技術

1.1 激光多普勒測速技術

激光多普勒測速技術 （Laser Doppler Velocimeter，LDV）是1964年由YEH Y和CUMMINS H Z提出的一種流場測試技術［2］。LDV系統主要由激光器、光學系統、信號處理系統、計算機系統等組成，基本工作原理［3］如圖1所示，在被測流場當中布撒一定濃度的示蹤粒子，利用示蹤粒子對入射激光的散射作用，通過光電探測器測量此散射光的多普勒頻移信號，此信號與示蹤粒子的速度存在線性關系，經過信號處理后即可得到粒子的速度。

圖1 LDV測試原理

1.2 相位多普勒粒子動態分析儀

相位多普勒粒子動態分析儀 （Phase Doppler Particle Analyzer，PDPA）是在LDV基礎上發展起來的，其測速原理與LDV相同［4］。PDPA技術利用粒子對干涉條紋散射時產生間隔發生變化的折射或反射信號，經過信號分析和數據處理，獲得粒子速度和粒徑大小。PDPA技術可以實現兩相流體中粒子的速度、粒徑和濃度的測量。

1.3 粒子圖像測速技術

粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV）是ADRIAN R J于1984年提出的一種非接觸式激光測量技術［5］。粒子圖像測速系統各部分組成如圖2所示［6］，主要包括：圖像采集系統（CCD相機）、光源照明系統（雙脈沖激光器、光導臂、激光頭）、同步器、計算機及圖像后處理軟件等。

圖2 PIV系統各部分示意圖

1.3.1 二維粒子圖像測速技術（2D PIV）

最初的PIV技術用于平面二維瞬態流動速度場測量。如圖3所示［7］，2D PIV技術主要利用示蹤粒子在流場中良好的跟隨特性，在被測流場當中均勻地布撒一定濃度的示蹤粒子，雙脈沖激光器在時間上先后發出的兩束激光在光路中重合，通過片光源呈現器形成一個片狀光源，照亮流場當中的示蹤粒子，在很短的時間間隔Δt內，CCD相機采集到兩張相關的示蹤粒子圖像，通過互相關運算和圖像后處理確定示蹤粒子在Δt內的位移，通過計算得到粒子的速度，最后進行批量處理，以獲得整個拍攝流場區域的速度分布矢量圖。

圖3 PIV測試原理

1.3.2 三維粒子圖像測速技術（3D PIV）

隨著對精細流場信息需求的不斷增長和相機成像技術及計算機圖像解析技術的快速發展，PIV技術由二維發展到三維［8］。三維PIV分為層析PIV （Tomographic PIV，Tomo-PIV）、立 體PIV（Stereoscopic PIV，SPIV）、全 息PIV（Holography PIV，HPIV）等。由于光源對流場的照明方式不同，現有的3D PIV技術可分為兩大類：一是使用片光對被測平面進行照明，獲得被測面的二維速度分量，后通過計算得到第3個速度分量，這種方式本質上仍屬于2D PIV，如SPIV；另一種是使用體光源照明，測量被測體空間的三維速度，實現真正意義上的全場三維PIV，如Tomo-PIV、HPIV等。

1.3.2.1 立體粒子圖像測速技術

與二維粒子圖像測速技術相同，立體粒子圖像測速技術（Stereoscopic PIV，SPIV）仍采用片光照明。SPIV 技術是在傳統2D PIV基礎上增加一臺CCD 相機，利用兩臺相機從不同視角同步拍攝被測平面的示蹤粒子圖像［9］，根據互相關算法分別計算得到兩個二維速度場，再根據這兩個二維速度場重構出面內及面外共3個速度分量，實現了平面三維流場瞬態測量。如圖4所示，SPIV系統常用的兩種相機布置方式為相機同側法和相機異側法。目前SPIV技術多應用于船舶尾流場測試［10～13］、壁面湍流［14，15］等方面。

圖4 SPIV系統的兩種相機布置方式

1.3.2.2 全息粒子圖像測速技術

全息粒子圖像測速技術 （Holography PIV，HPIV）是將全息技術與PIV相結合得到的一種真正意義上的三維流場測試技術。早期的HPIV技術采用傳統全息干板和底片，需要進行化學濕處理和光路再現，實際操作非常復雜且誤差較大，隨著數字全息粒子圖像測速技術出現才得到廣泛應用。數字全息PIV（DHPIV）測速原理如圖5所示，數字全息PIV技術是用CCD芯片來代替傳統的全息膠片或干板，將全息干涉條紋直接記錄在CCD芯片上，同時全息圖像的再現不需要光路再現，而是通過數學計算在計算機中實現［16］，從而實現空間流場的瞬態測量。數字全息PIV技術已成功應用于燃燒火焰流場測試、發動機噴霧、汽車空氣動力流場等方面［17］。

1.3.2.3 層析粒子圖像測速技術

層析粒子圖像測速技術 （Tomographic PIV，Tomo-PIV）是將PIV技術和醫學上的CT重構技術結合得到的一種三維粒子圖像測速技術［18］，能實現體空間流場的全場定量測量，其原理如圖6所示［19］。Tomo-PIV采用體光源照射，利用多臺相機（通常為3～6臺相機）記錄不同視角下被測流場的示蹤粒子圖像，再通過光學層析成像算法由二維圖像重構出三維示蹤粒子場，然后利用三維互相關算法得到體空間的三維速度矢量場［20］。Tomo-PIV目前多應用于測量尾流流動［21～23］、湍流邊界層［24～26］以及射流［27～29］等方面。

1.4 體三維速度場測試系統

體三維速度場測試系統 （Volumetric 3-component Velocimetry measurement system，V3V）是在PEREIRA F［30］工作的基礎上發展起來的，它結合了散焦技術和PIV技術。如圖7所示［31］，V3V采用獨立的3D相機同時從3個不同視角記錄示蹤粒子圖像［32］，相機內的3個傳感器排列在一個共面三角形內，通過模式搜索算法直接從拍攝到的圖像中提取粒子的三維位置［33］，利用針孔成像原理分析三角形，從而得到粒子的空間位置的速度矢量［34］。V3V技術已成功應用于測量渦輪槳攪拌槽內湍流場［34，35］、泵管道流場［36～38］、平面斜坡湍流場［39～41］等方面。

圖7 V3V測試原理示意圖

將以上所述7種激光流場測量技術的優缺點對 比列于表1。

表1 激光流場測量技術對比

2 流場測試技術在水力旋流器中應用

水力旋流器內部流場研究可追溯到20世紀50年代，KELSALL D F借助顯微鏡光學測量首次得到了水力旋流器的速度場分布［42］。20世紀80年代以后，隨著測試技術的發展，激光非接觸式流場測試技術被廣泛地應用于水力旋流器流場測試中。

2.1 LDV技術在水力旋流器流場測試中的應用

早期學者多借助二維LDV技術測量水力旋流器的流場，水力旋流器模型采用透明的有機玻璃加工制作而成，以便于激光測試，試驗介質多為清水，測試過程中常用的示蹤粒子有滑石粉、Al2O3粉末、聚苯乙烯顆粒等。

采用LDV技術進行流場測試時，旋流器柱錐段的彎曲壁面會對激光束產生折射和反射，影響測試結果。為減小測量誤差，多在旋流器模型外加設光路補償盒（多為有機玻璃材質）并充滿與旋流器內相同液體進行光路補償［43］。此外，任相軍采用含有一定濃度甘油的水作為補償液，將補償液的折射率配至接近有機玻璃的折射率以提高測量精度［44］；MARINS L P M等為了減小光束反射和折射的影響，將水力旋流器的外壁制成平面［45］；BAI Z S等在激光束入射位置設置直徑為5 mm的孔口，孔口處固定光學玻璃，光學玻璃具有較低的折射率和平面表面，可以有效地避免曲面對測試的影響［3］。

LDV測量精度為±0.5%，精度相對較高，樣本數也較高，可以達到每點1 000～3 000采樣數［32］。借助LDV可以較準確地測得水力旋流器不同操作參數和結構參數下的軸向、切向時均速度分布及軸向、切向湍流強度時均分布等。但由于LDV屬于單點測量，測量過程工作量大且費時，故一般假設旋流器流場為軸對稱分布，試驗時只測量旋流器一半的流場，或選取特殊截面進行全直徑范圍的測量，對流場的對稱性進行驗證；同時由于徑向速度分量較小，且測試時光路布置比較困難，僅較少學者進行了徑向速度的測量。

2.2 PDPA技術在水力旋流器流場測試中的應用

借助LDV技術僅能實現對旋流器的單相水流場測量，而PDPA作為LDV的擴展，可以實現兩相流場的測量，因此PDPA在旋流器流場測試中得到了廣泛應用。

借助PDPA技術測試旋流器流場時，一般采用有機玻璃制作旋流器模型，同時為了消除曲率對激光測量的影響，需要在旋流器被測截面壁面處加工直徑5 mm的小孔，固定石英玻璃作為激光透射視窗，以便在垂直平面上進行測量。且為進一步減小激光束在旋流器曲面上的光學折射，可以在旋流器接收光線側加設光學補償盒。

在PDPA測試時，常使用空心玻璃微球作為示蹤粒子，其既能滿足PDPA測試中分散相粒子對光的反射效果，又滿足密度、粒度分布和粘度的一致性要求［46］。PDPA屬于單點測量，測量時在被測截面處距離邊壁0.5 mm至軸心每隔一定間距左右逐點測量［47］。

與LDV、PIV等相比，PDPA最大的優勢是可以實現對水力旋流器中固液、液液、氣液等兩相流場的測量，同時能夠測得粒子的粒徑和濃度。借助PDPA技術，可以測得不同操作參數、結構參數下旋流器連續相和分散相的軸向和切向時均速度分布，軸向、切向湍流強度及固體顆粒的平均粒徑分布、濃度分布等。借助PDPA進行流場測試時，由于徑向速度與入射光方向重合，無法精確識別測試點處的徑向速度頻移，導致徑向速度測量難以實現［48］；同時PDPA也屬于單點測量，一般僅測量旋流器一半的流場，且在近壁面和空氣柱附近無法進行測量。

2.3 PIV技術在水力旋流器流場測試中的應用

LDV和PDPA技術僅能實現單點測量，無法獲得流場瞬態信息，隨著粒子圖像技術的發展，PIV技術突破了單點測量的局限性，可以實現對流場的瞬態測量。目前二維粒子圖像測速技術和立體粒子圖像測速技術已成功應用于水力旋流器流場測試中。

利用PIV技術進行流場測試時，常采用石英玻璃或有機玻璃制作旋流器實驗模型。其中，石英玻璃透光率高、折射率低，而有機玻璃可加工性能更好，但折射率高、透光性較差。因此當被測旋流器結構簡單且承壓不高時，優先選用石英玻璃制作水力旋流器模型。PIV流場測試中常用的示蹤粒子有空心玻璃微珠、聚苯乙烯、聚酰胺晶種粒子、熒光示蹤粒子等。

目前僅借助PIV對水力旋流器進行單相流場測試試驗，試驗介質多為清水或蒸餾水，油相會阻擋激光光源照射示蹤粒子，故無法添加至試驗介質中［49］。在PIV測試過程中，同樣存在壁面曲率問題，可以通過加設光學補償盒并裝滿與被測介質相同的液體進行光路補償。KE R等為了進一步提高測量精度，采用折射率匹配方法，采用與旋流器壁面（有機玻璃）相同折射率的63.3wt%的碘化鈉溶液作為工作流體，解決了旋流器彎曲壁面的光折射和反射問題［50］。雖然折射率匹配方法能夠很好的提高測量精度，但折射率匹配方法難度很大，需要大量的時間和物質成本。

采用PIV技術進行旋流器流場測試的另一大難點是旋流器中心存在空氣柱，空氣柱反射的激光會嚴重損壞CCD相機。為解決空氣柱和氣泡反光問題，KE R等在進料罐中加入過濾纖維排除氣泡［50］；王小兵等選用散射度大的示蹤粒子，降低激光器的激發電壓，并適當減小CCD相機鏡頭的光圈數［51］；許妍霞等在試驗過程中將空氣柱進行遮擋［43］；SONG T等將底流通過管段連接到水下，避免空氣柱的形成［52］；汪威在光路補償盒相應部分張貼深色吸光材料［53］。而目前使用較多的方法為采用羅丹明-B染色的三聚氰胺樹脂微球作為示蹤粒子，此熒光示蹤粒子在受到532 nm的綠光照射時，會發射580 nm的紅光，同時在CCD相機鏡頭前安裝540 nm高通濾光片，將532 nm的綠光濾去，則可以獲得580 nm的粒子散射圖像。通過這個處理，可以濾去背景光、空氣柱反射光及氣泡反射光等，使得CCD相機僅捕捉到熒光粒子的散射光并成像，從而實現對被測流場的精準拍攝。

采用2D PIV技術進行流場測試時，由于2D PIV是對平面進行測量，而旋流器內部為三維速度場，測量平面外的速度會對面內的速度產生影響。如測量旋流器中軸面的軸向速度和徑向速度時，切向速度會對軸向和徑向速度測量帶來誤差，LIU Z L等提出了一種校正方法可以有效地消除切向速度對軸向速度測量結果的影響，但對徑向速度的影響難以消除［54］。

PIV技術測試精度為±0.1%，利用PIV可以測得不同操作參數和結構參數下旋流器的切向速度、軸向速度和徑向速度分布，零軸向速度包絡面（LZVV），渦量分布，流線分布，雷諾切應力分布，湍流強度等，且利用CCD相機（高速攝像）可以研究旋流器空氣柱的形成過程。

2.4 V3V技術在水力旋流器流場測試中的應用

2D PIV和SPIV本質上仍屬于平面測量，而水力旋流器內部為三維旋轉湍流場，需借助三維測量技術進行旋流器內部流場測量，但由于實驗成本和難度限制，相關研究較少。目前僅王劍剛借助V3V進行了水力旋流器流場測試［32］。水力旋流器壁面曲率問題給V3V測試帶來很大的難度。對于LDV、PDPA和PIV測試來說，這個問題會使測試結果存在誤差。而對于V3V來說，由于其景深較大，光信號更弱，顆粒重疊性高，圖像對比度更差，可能會導致測試結果嚴重失真，因此借助V3V進行旋流器流場測試難度更大。王劍剛最初使用去離子水作為試驗介質，但由于折射率差距和壁面曲率的影響，得到的速度矢量識別個數很低，無法得到測試結果，因此進行了大量折射率匹配實驗，最終選擇53wt%的碘化鈉水溶液作為試驗中的折射率匹配液，其折射率和旋流器壁面（石英玻璃）的折射率一致，均為1.47，可以很好地消除壁面曲率對測試的影響。同時采用由羅丹明-B染色的示蹤微球作為示蹤粒子，在CCD相機前安裝高通濾光片來避免反光和空氣柱對試驗的影響。最終通過試驗得到了35 mm水力旋流器的三維速度分布、三維零軸速包絡面，借助三維軸向速度進行了短路流流量計算，并提出了循環流流量的計算模型。同時通過統計平均法改善了V3V測量的空間分辨率，發現誤差小于5%，但對于徑向匯流速度，短路流流量和循環流流量的準確計算，需要進一步提高空間分辨率和測試精度。

3 結束語

水力旋流器內部為復雜的三維旋流場，包括內旋流、外旋流、短路流、循環流和空氣柱等多種流動結構。借助激光測試技術研究操作參數和結構參數對水力旋流器流場的影響，對進一步了解旋流器分離機制，提高水力旋流器的分離性能具有重要意義。目前常用的水力旋流器流場測試技術，如激光多普勒測速技術（LDV）、相位多普勒動態分析儀 （PDPA）、二維粒子圖像測速技術（2D PIV）和立體粒子圖像測速技術（SPIV），主要局限于單點或平面測量，雖然不同的測試技術均有各自的側重和優勢，但對于水力旋流器內部的三維速度場、短路流和循環流等三維流動結構的研究而言，這些方法仍存在較大的局限性。隨著激光流場測速技術的發展，特別是層析粒子圖像測速技術（Tomo-PIV）、體三維速度場測試系統（V3V）等瞬時、全場體三維測量技術的出現和發展，為水力旋流器內流場的進一步精準測量和研究提供了強有力的技術支持。