汪文輝, 陸振華, 劉 勝, 鄧康耀, 崔 毅

(1. 上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室, 上海 200240; 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所, 山西 大同 037036)

0 引 言

管道分支結(jié)構(gòu)在流體工程領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，常見于內(nèi)燃機(jī)、航空和核工業(yè)等能源工程領(lǐng)域的流體管道輸運(yùn)系統(tǒng)中，其內(nèi)部流動(dòng)特性研究對(duì)于工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。與直管和彎管中的流動(dòng)相比，分支接頭處流動(dòng)呈現(xiàn)十分復(fù)雜的流動(dòng)特性。管壁附近的分離區(qū)，管道橫截面上產(chǎn)生的二次流動(dòng)，不同速度流的紊流混合、沖擊擠壓等現(xiàn)象不僅形成了使流動(dòng)的阻力增大的局部阻障區(qū)，也造成了局部流動(dòng)壓力的損失和能量的耗散。因此，研究人員對(duì)分支接頭內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行了多方面的研究[1-8]。

理論計(jì)算方面，文獻(xiàn)[2-3]采用k-ω湍流模型對(duì)90° T型分支接頭中的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值研究，揭示了接頭內(nèi)部軸截面的速度分布及壓力分布，并對(duì)壓力損失的影響進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)[4-6] 基于對(duì)分支接頭物理流動(dòng)模型假定，經(jīng)理論推導(dǎo)后，得出了不同流型的壓力損失系數(shù)計(jì)算公式；但是在推導(dǎo)過程中，流動(dòng)模型中的分界流線的假定有待試驗(yàn)驗(yàn)證，且接頭中的流體都被假定為不可壓縮流體，其壓力損失系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差距。

隨著光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV技術(shù))被逐漸應(yīng)用于分支接頭內(nèi)部流動(dòng)的研究中。文獻(xiàn)[7-8]采用PIV對(duì)流體介質(zhì)為液體的微型T型分支接頭內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行了PIV測(cè)試，主要測(cè)量分析了流動(dòng)區(qū)域的混合情況，又通過μ-PIV和μ-LIF(Laser-Induced Fluorescence)測(cè)量了T型三通液體之間的混合情況，分析了其流動(dòng)混合過程，并解釋了其流動(dòng)機(jī)理。

已有文獻(xiàn)的研究主要關(guān)注于不可壓縮流、直角T型分支接頭流動(dòng)的研究，對(duì)可壓縮流，斜T型接頭的流動(dòng)研究較少。針對(duì)這種情況，結(jié)合相關(guān)研究，本文采用PIV測(cè)試技術(shù)，對(duì)定結(jié)構(gòu)參數(shù)的斜T型三分支管接頭在不同流動(dòng)參數(shù)下的接頭內(nèi)部高速氣流流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。

1 試驗(yàn)測(cè)試

本研究涉及的試驗(yàn)裝置包括管路系統(tǒng)裝置、試驗(yàn)測(cè)試段和PIV測(cè)試系統(tǒng)裝置。圖1為三分支接頭流動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架布置示意簡(jiǎn)圖。圖中綠框區(qū)域?yàn)镻IV測(cè)試區(qū)域。壓氣機(jī)用1個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)額定功率為400kW，壓氣機(jī)額定流量8000m3/h標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣。為了防止在試驗(yàn)時(shí)壓氣機(jī)發(fā)生喘振，壓氣機(jī)后安裝一個(gè)放氣閥?？偣芏魏椭Ч芏魏蠓謩e安裝有質(zhì)量流量傳感器，用來(lái)測(cè)量進(jìn)入管接頭不同支管的氣體流量。流量控制閥為閘閥，通過改變閥門的升程來(lái)調(diào)節(jié)不同支路的流量。在接頭連接的3個(gè)管段上，分別安裝溫度、壓力以及壓差傳感器，用來(lái)測(cè)量氣體溫度和壓力(各傳感器參數(shù)見表1)。背壓閥安裝在分支接頭的后面，用來(lái)調(diào)節(jié)流出端的背壓。

圖1 分支接頭流動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架布置簡(jiǎn)圖

試驗(yàn)測(cè)量段結(jié)構(gòu)如圖2所示，斜T型接頭的分支夾角為45°，支管段與主管段的內(nèi)徑均為D=50mm，分支夾角的交界點(diǎn)處以及支管的轉(zhuǎn)角處都為銳角邊緣。測(cè)試的流型為流型6(見圖2(a))，兩股均勻射流在接頭內(nèi)交匯混合產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)特征。試驗(yàn)的測(cè)量區(qū)域取在接頭連接處的控制體區(qū)域[6]，如圖2(a)中陰影部分所示。試驗(yàn)測(cè)量段的拍攝截面以接頭區(qū)域的軸截面為測(cè)試截面。圖2(b)為試驗(yàn)段有機(jī)玻璃視窗的實(shí)物圖，激光由激光器發(fā)出，經(jīng)過導(dǎo)光臂，發(fā)出片光，自上而下垂直透過測(cè)試窗口，這里片光透過的區(qū)域位于視窗的中線(自外向里)，目的是為了獲得接頭軸截面區(qū)域的流場(chǎng)；片光區(qū)域中接頭內(nèi)的示蹤粒子反射光線，CCD攝像機(jī)垂直正對(duì)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行拍攝，獲取流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

(a) 流場(chǎng)測(cè)試區(qū)域示意圖(流型6)

本試驗(yàn)為冷態(tài)(溫度不超過60℃)的氣體流場(chǎng)，且流速較快，示蹤粒子的消耗量巨大。測(cè)試采用空心玻璃微珠作為示蹤粒子，粒徑為30μm。試驗(yàn)的氣源由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)提供，由于管路內(nèi)氣體流速較快，采用空氣壓縮機(jī)將示蹤粒子噴入流場(chǎng)內(nèi)。在測(cè)試段前端的管路上，安裝連接示蹤粒子發(fā)生裝置。示蹤粒子進(jìn)入流場(chǎng)的位置距離測(cè)量段較遠(yuǎn)，添加示蹤粒子對(duì)流場(chǎng)幾乎不構(gòu)成影響。為了同時(shí)測(cè)量流動(dòng)的壓力損失，通過編程，開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在PIV測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)同步采集，采樣頻率為1kHz。對(duì)于粒子的跟隨性問題，這里以BBO方程為基礎(chǔ)，利用粒子和氣流速度的Fourier積分來(lái)計(jì)算粒子與氣流速度的幅值比和相位差[9]。經(jīng)過計(jì)算和測(cè)試驗(yàn)證，在試驗(yàn)測(cè)試的速度范圍內(nèi)，試驗(yàn)所采用的粒子具有良好的跟隨性和光散射性且分布均勻，滿足試驗(yàn)要求。

PIV測(cè)量系統(tǒng)是基于Dantec公司生產(chǎn)的PIV 2100系統(tǒng)構(gòu)建的。其主要部件為：雙諧振脈沖式Nd:YAG激光器(最大工作頻率10Hz)、高分辨率CCD相機(jī)、同步時(shí)序控制器Timer Box 80N75以及配套的PIV應(yīng)用軟件(Dynamics)。激光器片光源厚度小于1mm，沿測(cè)試窗口軸截面透射入測(cè)試區(qū)。相機(jī)分辨率為2048×2048像素，快門延時(shí)100μs，相機(jī)鏡頭通過二維坐標(biāo)架來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向和縱向位移的精確控制調(diào)節(jié)。測(cè)試前，采用測(cè)試軟件通過對(duì)標(biāo)定尺進(jìn)行圖像標(biāo)定，完成測(cè)試段圖像尺寸與實(shí)際尺寸的轉(zhuǎn)換。由于在強(qiáng)脈沖激光作用下，測(cè)試區(qū)域中流場(chǎng)的近壁面會(huì)受到固體壁面強(qiáng)烈散射光的影響，該區(qū)域粒子的反射光被強(qiáng)激光的散射光所掩蓋。為了克服這一問題，試驗(yàn)前對(duì)測(cè)試窗口進(jìn)行區(qū)域遮蓋，同時(shí)CCD相機(jī)成像時(shí)采用長(zhǎng)波濾色鏡片。這樣壁面的散射光透過濾色片后，強(qiáng)激光的反射和折射影響得以消除，保證了近壁面以及夾角區(qū)域附件流場(chǎng)的較好測(cè)量。同步采集的圖像采用互相關(guān)圖像分析高斯擬合方法，計(jì)算結(jié)果可達(dá)±0.1像素的亞像素精度[10]，在圖像分析處理時(shí)，采用多重自適應(yīng)變形窗口算法，并對(duì)矢量場(chǎng)進(jìn)行相干性過濾及局部流場(chǎng)的有效性判定，處理分析后的數(shù)據(jù)真實(shí)地反映了采集圖像所記錄的實(shí)際流動(dòng)信息。

流場(chǎng)測(cè)試的工作流程為：通過PIV軟件發(fā)出采集命令，由激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過片光元件轉(zhuǎn)換為片光源透射入測(cè)試區(qū)域；同時(shí)，CCD相機(jī)同步采集測(cè)試區(qū)域中示蹤粒子散射光形成的圖像；連續(xù)曝光的圖像經(jīng)由軟件處理分析，得到測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1三分支接頭內(nèi)部的流動(dòng)特征

圖3為三分支接頭內(nèi)部中心截面流場(chǎng)的速度矢量圖及流線圖譜。從速度矢量圖中可以看出，流動(dòng)的典型特征為兩股氣流進(jìn)入接頭區(qū)域中，經(jīng)過交匯混合，從出流管端流出。兩股氣流在接頭內(nèi)壁的約束作用下均發(fā)生一定的轉(zhuǎn)向(小于分支夾角)，越靠近氣流匯合分界處轉(zhuǎn)向角度越大。流場(chǎng)中分界流線交匯處未觀測(cè)到大尺度的漩渦和回流，這是由于兩股氣流流速相差不大，不能引起強(qiáng)烈的剪切流動(dòng)。

在該工況下，由速度分布圖可見，速度沿流線逐漸增大，在出流管端的區(qū)域存在較大的速度梯度。峰值速度出現(xiàn)在出流管端轉(zhuǎn)角點(diǎn)的貼壁處，高速區(qū)域的面積較小，沿流線方向面積較大的區(qū)域?yàn)橹兴賲^(qū)，且分布較為均勻；在分支夾角的交界處以及轉(zhuǎn)角前緣處出現(xiàn)低速區(qū)，由此可推測(cè)這些區(qū)域(圖3(b)中紅色圓圈處)存在不易觀測(cè)的渦旋和回流；從流線圖來(lái)看，各層流線在入流端和靠近壁面外側(cè)的區(qū)域分布較為均勻，在兩股氣流的交匯分界處和出流管端的中部，流線較為緊密，這主要是因?yàn)閮晒闪黧w相互擠壓收縮而形成。

(a) 速度矢量圖

(b) 速度分布云圖及流線圖

2.2支管與總管流量比的影響

從圖4中可以看出，當(dāng)q為0時(shí)，即支管無(wú)氣流流入，主管形同直管流動(dòng)，此時(shí)由于支管的總壓小于總管的總壓，所以Kbc(支管端與總管端的總壓損失系數(shù))為負(fù)值；隨著q的增大，即支管的動(dòng)壓增大，支管與總管的差值也逐漸增加，總壓損失系數(shù)在數(shù)值上也隨之增加；當(dāng)q=1，Ma=0.59時(shí)，總壓損失系數(shù)為0.52，即此時(shí)三分支接頭的總壓損失達(dá)到出流管端動(dòng)壓的一半。將圖4中總壓損失系數(shù)的變化曲線擬合成流量比及馬赫數(shù)的函數(shù)表達(dá)式為(r為相關(guān)系數(shù))：

Ma=0.13，Kbc=-1.63q2+2.0832q-0.7757

(r2=0.9983)

Ma=0.31，Kbc=-1.79q2+2.9232q-0.7716

(r2=0.9694)

Ma=0.59，Kbc=-1.69q2+2.8481q-0.6642

(r2=0.9728)

圖4 流量比及馬赫數(shù)對(duì)總壓損失系數(shù)的影響

q=0q=0.25

q=0.5 q=0.75

q=1

圖5給出了Ma=0.31 時(shí)，不同流量比工況下接頭軸截面的速度矢量圖。當(dāng)q為0時(shí)，主管形同直管流動(dòng)，而少量氣流由于夾角處的流通面積突然增大，在支管中分離而形成了大尺度回流區(qū)。隨著q增大，回流區(qū)消失，支管氣流的平均速度逐漸增大，支流對(duì)主流的阻滯作用增強(qiáng)，射流穿入主流的深度也隨之增加，同時(shí)兩股氣流交匯處分界線呈逐漸偏移的趨勢(shì)。支管中的氣流由于壁面約束導(dǎo)致流向改變，由于主管中的流速相對(duì)較高，流動(dòng)的慣性作用較強(qiáng)，支管氣流的轉(zhuǎn)向角度不大。q為0.5時(shí)，氣流交匯處分界線到達(dá)出流端的中心軸線處。當(dāng)支管流速大于主管時(shí)，主管氣流也出現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)向。在q接近1時(shí)，即為折彎管流動(dòng)，主管中出現(xiàn)大尺度渦旋，此時(shí)流動(dòng)具有很強(qiáng)的紊動(dòng)性，同時(shí)支管氣流已經(jīng)可以撞擊管壁，壓力損失最大(見圖4)。對(duì)比分析均出現(xiàn)渦旋的流量比為0和1的矢量圖以及壓力損失曲線圖，可以推測(cè)認(rèn)為沖擊損失是接頭壓力損失的重要部分。此外測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量比q在0.1～0.9范圍內(nèi)時(shí)，接頭內(nèi)部軸截面未觀測(cè)到大尺度回流或漩渦存在。

2.3流出管端馬赫數(shù)的影響

由于射流緊縮現(xiàn)象，綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件，本試驗(yàn)對(duì)3種不同流出端馬赫數(shù)時(shí)的接頭內(nèi)部流場(chǎng)工況進(jìn)行了PIV測(cè)試，通過控制進(jìn)氣總流量來(lái)分析其對(duì)接頭內(nèi)部流場(chǎng)的影響。即Ma=0.13、0.31和0.59。由圖4可以看出，出流管端的馬赫數(shù)對(duì)接頭的總壓損失有著一定的影響。Ma=0.13和0.31時(shí)的總壓損失系數(shù)幾乎相同，這主要是由于馬赫數(shù)增至0.3時(shí)，總壓損失的增幅和流出端總壓與靜壓差值的增幅相當(dāng)。所有測(cè)試工況中，流出端的雷諾數(shù)Re均大于105，故流動(dòng)摩擦的影響相對(duì)而言可忽略[11-12]。

表2給出了q=0.5時(shí)，分支接頭一種流徑的總壓損失系數(shù)和靜壓損失系數(shù)的測(cè)試結(jié)果。從表中可以看出，隨著馬赫數(shù)的增加，靜壓損失系數(shù)也增加，這是由于流體的壓縮性改變了接頭內(nèi)部壓力梯度的分布。同時(shí)也表明總壓損失系數(shù)與靜壓損失系數(shù)的變化趨勢(shì)不同，不能僅以一種參數(shù)值的變化來(lái)描述接頭內(nèi)部的流動(dòng)特征。

表2 q=0.5時(shí)馬赫數(shù)對(duì)壓力損失的影響

比較q=0.5時(shí)，Ma=0.13、0.31和0.59時(shí)接頭內(nèi)部軸截面的速度分布及流線圖(見圖6)，可以發(fā)現(xiàn)，速度沿流線逐漸增大，且馬赫數(shù)越大，速度梯度越大；高、中及低速區(qū)的速度分布可認(rèn)為相同，低速區(qū)也都出現(xiàn)于分支夾角的交界處以及轉(zhuǎn)角前緣處。這是因?yàn)閰R合流時(shí)，接頭入流端的靜壓數(shù)值上幾乎相等[6]，結(jié)合本測(cè)試的入端溫度也相等，致使氣流的壓縮性對(duì)接頭內(nèi)流場(chǎng)分布的影響有限，通過測(cè)試結(jié)果可認(rèn)為不可壓縮流與可壓縮流時(shí)接頭內(nèi)部流體的高低速度區(qū)分布一致。從流線圖來(lái)看，不同馬赫數(shù)工況下，接頭上游的流線分布較均勻，下游流線均出現(xiàn)流動(dòng)收縮，在兩股氣流的交匯分界處和出流管端的中部，流線也都較為緊密，形成的流線分界線的偏移位置都位于流出端的相同位置?；诖耍鲃?dòng)模型中的分界流線的假定[13]對(duì)于試驗(yàn)條件下的亞音速流也適用，當(dāng)然對(duì)于其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的三分支亞音速流動(dòng)仍有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

Ma=0.13

Ma=0.31

Ma=0.59

3 結(jié) 論

從三分支接頭內(nèi)部流場(chǎng)的PIV的測(cè)試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1) 流型6時(shí)，在兩股氣流的相互作用下，接頭內(nèi)部流場(chǎng)存在明顯的流線收縮，形成的分界流線將接頭分為兩個(gè)區(qū)域。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了分界流線的勢(shì)流理論，且對(duì)于可壓縮流此理論假定仍適用；

(2) 氣流參數(shù)影響接頭內(nèi)部的流動(dòng)特性。支管和總管流量比、流出端馬赫數(shù)將影響接頭內(nèi)部的流動(dòng)，從而影響接頭局部的速度分布，繼而決定了壓力損失的變化。其中，總壓損失隨流量比的增大而增大。馬赫數(shù)對(duì)總壓損失系數(shù)的影響，取決于總壓損失的增幅和流出端總壓與靜壓差值的增幅之比的變化。

(3) 當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，隨著支管和總管流量比的增大，接頭區(qū)域形成的分界流線逐漸向主管底部偏移。而流出段馬赫數(shù)對(duì)速度分布及分界流線的位置幾乎無(wú)影響。

參考文獻(xiàn):

[1]廖振強(qiáng). 多分支管道若干流動(dòng)現(xiàn)象和特性的探討[J]. 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量控制, 1996, 10(3): 31-39.

Liao Zhenqiang. Investigation of several phenomena and properties of flows inmanifolds[J]. Aerodynamic experiment and measurement & control, 1996, 10(3): 31-39.

[2]Perez-Garcia, Sanmiguel-Rojas, Hernandez-Grau, et al. Numerical and experimental investigations on internal compressible flow at T-type junctions[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2006, 31: 61-74.

[3]方志宇, 穆海林, 解茂朝. 二維三維可壓縮流體分支流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 1996, 14(3): 295-301.

Fang Zhiyu, Mu Hailin, Xie Maozhao. Numerical simulation of two dimensional and three dimensional branch junction flow field for compressible flow[J]. Transactions of CSICE, 1996, 14(3): 295-301.

[4]Winterbone D E, Pearson R J. Theory of engine manifold design-

wave action methods for IC engines[M]. Professional Engineering Publications, London, 2000.

[5]Bassett M D, PearsonR J, Fleming N P, et al. A multi-pipe junction model for one dimensional gas-dynamic simulations[J]. SAE Paper, 2003-01-0370.

[6]Bassett M D, Fleming N P, Pearson R J. Calculation of steady flow pressure loss coefficients for pipe junctions[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, 2001, 215: 861-881.

[7]Hoffmann M, Rabiger N. Experimental and numerical investigations of T-shaped micromixers[C]//11th Eur. Conf. Mixing. Bamberg, 2003.

[8]Hoffmann M, Schlüter M, Rabiger N. Experimental investigation of liquid-liquid mixing in T-shaped micro-mixers using LIF and PIV[J]. Chemical Engineering Science, 2005, 61(9): 2968-2976.

[9]Hjelmfet A T, Mockros L F. Motion of discrete particles in a turbulent fluid[J]. Appl. Sci. Res., 1996, 16: 149-161.

[10] 謝龍, 靳思宇, 王玉璋. 閥體后90°圓形彎管內(nèi)部流場(chǎng)PIV測(cè)量及POD分析[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2012, 26(3): 21-25, 31.

Xie Long, Jin Siyu, Wang Yuzhang, et al. PIV measurement and POD analysis of inner flow field in 90° bending duct of circular-section with fore-end valve[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(3): 21-25, 31.

[11] Paul J, Selamet A, Miazgowicz K D, et al. Combing flow losses at circular T-junctions representative of intake plenum and primary runner interface[J]. SAE Technical paper series 2007, 2007-01-0649.

[12] Oka K, Ito H. Energy losses at tees with large area ratios[J]. Journal of fluids engineering, 2005, 127: 110-116.

[13] Abou-Haidar N I, Dixon S L. Pressure losses in combining subsonic flows through branched ducts[J]. Trans. ASME, Turbomach, 1992, 114(1): 264-270.

作者簡(jiǎn)介:

汪文輝(1984-)，男，安徽安慶人，博士生。研究方向：內(nèi)燃機(jī)增壓及性能研究。通信地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院C樓312室(200240)。E-mail:wwh328@sjtu.edu.cn