付在國, 趙飛宇, 張 莉, 劉 江

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

隨著激光測速和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的發(fā)展,粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,PIV)和平面激光誘導(dǎo)熒光(Planer Laser-Induced Fluorescence,PLIF)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于湍流與燃燒等場合下流動(dòng)介質(zhì)的速度場測試、結(jié)構(gòu)顯示與標(biāo)量輸運(yùn)測量等方面。其對推動(dòng)湍流流動(dòng)及與之相關(guān)的傳熱傳質(zhì)過程的研究具有非常重要的意義。

PIV和PLIF兩者結(jié)合可用來同時(shí)測量流體流動(dòng)空間的速度場和標(biāo)量場。文獻(xiàn)[1]針對合成射流,采用PIV和PLIF測試了混合過程中的渦分布,清晰獲得了不同射流參數(shù)下渦的特征;文獻(xiàn)[2]采用PIV和PLIF,同步測量了沖擊射流近壁區(qū)的速度場和溫度場,得到了沖擊區(qū)內(nèi)的湍流熱通量;文獻(xiàn)[3]針對PLIF測量中光強(qiáng)與熒光染料濃度之間關(guān)系的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了討論,并利用新的校準(zhǔn)措施成功開展了對濃度和速度場的PIV與PLIF同步測量;文獻(xiàn)[4-5]采用PIV和PLIF技術(shù),同步測量了黏彈性壁湍流中的近壁速度和濃度,得到了黏彈性流體在湍流中的擴(kuò)散特征;吳浩瑋等人[6]結(jié)合PIV與PLIF技術(shù),對燃燒器中燃油旋流過程進(jìn)行了測量,取得了流場與燃油分布的結(jié)果。

綜上所述,國內(nèi)外應(yīng)用PIV和PLIF測量技術(shù)的研究較多,但其中有些尚未真正實(shí)現(xiàn)兩者的同步測量,且國外已有的相關(guān)研究中并未對同步測量方法本身以及取得湍流通量的數(shù)據(jù)處理方法做具體闡述。本文基于PIV和PLIF的測量原理以及兩者各自成熟的測量方法,結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置,具體介紹開展PIV與PLIF同步測量的方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,并將其應(yīng)用于兩種不同類型流體的槽道湍流擴(kuò)散流動(dòng)中,用來測定槽道內(nèi)的脈動(dòng)流速、脈動(dòng)濃度以及湍流擴(kuò)散傳質(zhì)通量等特征量,為定量分析湍流中標(biāo)量輸運(yùn)等過程提供支持。

1 方法概述

PIV技術(shù)通過記錄某瞬時(shí)大量空間點(diǎn)上的速度信息,用以提供豐富的流場特性與空間結(jié)構(gòu)等信息,是一種無干擾、瞬時(shí)、全場的激光測速法。它利用測量得到的速度場,可計(jì)算出多種物理量,如脈動(dòng)速度、速度梯度、渦量場及旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度等,已在流體力學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。PIV測速主要原理是利用流場中分布的示蹤粒子的速度代表其所在流場內(nèi)相應(yīng)位置上流體的速度[7]。片光源照射流場中的測試平面,用相機(jī)記錄多次曝光的粒子位置,借助圖像分析技術(shù)即可得到各點(diǎn)粒子的位移,再由位移和曝光時(shí)間可得到各點(diǎn)的速度矢量。PIV技術(shù)主要涉及的設(shè)備包括激光光源及控制、數(shù)字圖像采集與分析等設(shè)備。應(yīng)用該技術(shù)的主要難點(diǎn)在于對示蹤粒子的跟隨性能與播撒濃度的把握以及曝光時(shí)間的設(shè)置等,一般需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)與平均流速等條件,在校準(zhǔn)階段以粒子圖像質(zhì)量高、速度矢量相關(guān)性好為原則,來確定合適的粒子濃度與曝光時(shí)間。

PLIF技術(shù)通過記錄某瞬時(shí)平面空間內(nèi)激光誘導(dǎo)熒光的信息從而反饋出濃度、溫度、酸堿度等標(biāo)量信息,是一種非接觸式標(biāo)量測量方法[8]。它已成功應(yīng)用于燃燒結(jié)構(gòu)顯示與診斷、混合研究、噴霧分析、污染物的擴(kuò)散等研究領(lǐng)域。PLIF測量標(biāo)量信息都是基于染料受激光照射后發(fā)射熒光的性質(zhì)而開展的。以測定濃度標(biāo)量為例,熒光強(qiáng)度會(huì)隨熒光染料濃度的變化而變化。如果測得了局部熒光強(qiáng)度,就能算出染料濃度的局部分布。濃度與熒光強(qiáng)度存在以下的關(guān)系

(1)

式中:c(x,y)——空間位置上的瞬時(shí)濃度;

c0——基準(zhǔn)濃度;

B(x,y)——空間位置上的瞬時(shí)熒光強(qiáng)度;

B0——基準(zhǔn)熒光強(qiáng)度。

PLIF技術(shù)主要涉及的設(shè)備有激光光源及控制設(shè)備、濾光鏡、數(shù)字圖像采集與分析設(shè)備等。應(yīng)用該技術(shù)的主要難點(diǎn)在于對熒光染料混合濃度的把握以及染料跟隨性的確定,一般需要在測量前開展基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),建立熒光強(qiáng)度和染料濃度的具體比例關(guān)系。為避免光路中熒光吸收現(xiàn)象的出現(xiàn),采用的染料濃度一般較低。此外,還可以根據(jù)分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散的強(qiáng)度來證明染料跟隨溶液的有效性,即短時(shí)間內(nèi)兩者的擴(kuò)散界限不存在大的差異。

PLIF測試系統(tǒng)可與 PIV 測試系統(tǒng)連接并聯(lián)合使用,實(shí)現(xiàn)測試平面內(nèi)標(biāo)量場和速度場的同時(shí)測量,即為PIV與PLIF的同步測量方法。其已應(yīng)用在湍流傳熱傳質(zhì)、霧化、燃燒等研究領(lǐng)域。PIV和PLIF的同步測量的主要原理相對于PIV與PLIF單體并沒有變化,只是需要采用如二向色鏡的分光鏡等設(shè)備,分離由平面空間內(nèi)示蹤粒子反射的激光和染料激發(fā)出的熒光。通常這兩種光的波長不同,故易于分離和捕獲。實(shí)現(xiàn)同步測量的設(shè)備即集成PIV與PLIF的系統(tǒng),需要采用兩臺相機(jī)分別測量同一瞬時(shí)的粒子運(yùn)動(dòng)和熒光強(qiáng)度圖像。另外,同步器需要同時(shí)控制兩臺相機(jī)和激光器,其他設(shè)備不變。

2 測量裝置及其設(shè)置

試驗(yàn)針對某一透明有機(jī)玻璃材質(zhì)的二維槽道內(nèi)的湍流流動(dòng)展開。測試面為槽道中心沿流向-垂直壁面方向(x-y)的平面。該同步測量系統(tǒng)如圖1所示。采用雙脈沖激光器(Nd:YAG,30 mJ/pulse,532 nm),激光片光厚度為1 mm,傳播角為20°。使用兩臺相同的CCD相機(jī)(電荷耦合,2 048像素×2 048像素),分別拍攝測試平面內(nèi)粒子位移與熒光分布的圖像,與同步器相連并在同一時(shí)間觸發(fā)。此外,兩臺相機(jī)的安裝軸線相互垂直,其交線位置布置一個(gè)與它們成45°角的二向色鏡,其允許波長在 569～730 nm范圍內(nèi)的熒光通過,如此可分開由槽道流動(dòng)中示蹤粒子散射的激光,以及從槽道側(cè)面注入的被染料染色溶液激發(fā)出的熒光。

圖1 PIV與PLIF同步測量系統(tǒng)示意

試驗(yàn)測試段為6.00 m×0.50 m×0.04 m(長×寬×高)的矩形槽道,其一側(cè)布置有1.65 m×0.50 m×0.001 7 m(長×寬×厚)、孔徑為150 μm的多孔不銹鋼絲網(wǎng)燒結(jié)層壓板,其滲出面與槽道內(nèi)表面保持水平。多孔板與密封腔室連接用來向槽道注入染色的水或溶液。槽道內(nèi)流量由安裝在測試段上游的電磁流量計(jì)監(jiān)測,其測量精度為±0.01 m3/min,槽道內(nèi)循環(huán)流體溫度保持在25±0.5 ℃。測試中,添加聚乙烯粒子作為示蹤粒子,其平均粒徑為20 μm,相對密度為0.92,并采用合適濃度以得到清晰的速度圖像。同時(shí),為獲取熒光圖像,注入的水或溶液均被染色,采用的染料為無毒、非致癌性羅丹明-WT系列,混入溶液后的質(zhì)量濃度為5 mg/L,能在532 nm波長的激光誘導(dǎo)下發(fā)射出580 nm長的熒光。

測試過程中,槽道內(nèi)監(jiān)測的流量約為0.016 m3/s,對應(yīng)槽道內(nèi)的平均流速為0.82 m/s?；诓鄣赖母叨?2h,40 mm)和水的黏度,槽道內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)接近40 000。試驗(yàn)中湍流流動(dòng)介質(zhì)為水。此外,因高分子聚合物溶液具黏彈性,與湍流流動(dòng)耦合作用后能表現(xiàn)出不同于一般牛頓流體的擴(kuò)散特征,故測試中從槽道多孔壁面分別注入水和水溶性高分子聚合物溶液,注入速度約為2.9×10-4m/s,用作對比分析,以驗(yàn)證采用同步測量方法在湍流擴(kuò)散領(lǐng)域應(yīng)用的可行性與準(zhǔn)確性。

所采用的聚合物是由日本Seika公司生產(chǎn)的PEO-18Z粉末,主要成分為聚氧化乙烯,分子量約為4.3×106。通過在去離子水中溶解,配置成質(zhì)量濃度為50 mg/L的聚合物溶液,其有效性和可重復(fù)特性在試驗(yàn)中得到了嚴(yán)格的保證。關(guān)于熒光強(qiáng)度與染料濃度之間的關(guān)系,經(jīng)原位校準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)對于50 mg/L的聚合物溶液和水,在本試驗(yàn)的染料濃度條件下,其誘導(dǎo)熒光在測試光路中無明顯衰減,聚合物濃度與熒光強(qiáng)度成正比,比例系數(shù)經(jīng)回歸約為120。

3 同步測量數(shù)據(jù)的處理

采用互相關(guān)技術(shù)處理同步測量獲取的PIV圖像,交互區(qū)為64像素×64像素,并基于每個(gè)垂直壁面位置上62 500(125×500)個(gè)速度矢量進(jìn)行湍流統(tǒng)計(jì)分析。通過對所有采集的瞬時(shí)PIV圖像樣本做系綜平均,可以得到每個(gè)速度矢量位置上的平均速度,從而可以得到每幅瞬時(shí)圖像中每個(gè)速度矢量位置上的脈動(dòng)速度值。

PLIF圖像的大小和數(shù)量與PIV圖像設(shè)置一致(本文中均取500幅瞬時(shí)圖像),但采集到的信息為有效范圍內(nèi)2 048×2 048個(gè)像素點(diǎn)及各像素點(diǎn)上的熒光強(qiáng)度。進(jìn)行同步測量數(shù)據(jù)處理時(shí),為保證采集到與速度對應(yīng)同一個(gè)位置的濃度,在分析處理PLIF圖像時(shí),取圍繞速度位置點(diǎn)臨近5×5個(gè)像素點(diǎn)熒光強(qiáng)度值的平均值為該速度位置點(diǎn)的熒光強(qiáng)度值。該處理方法的示意圖如圖2所示。圖2中黑點(diǎn)即為速度矢量位置。

圖2 速度矢量與熒光像素點(diǎn)相對位置示意

根據(jù)該設(shè)想,結(jié)合PLIF校準(zhǔn)測試中所得到的熒光強(qiáng)度與染色濃度的線性關(guān)系,通過自編程序處理,即可得到每幅瞬時(shí)圖像中各速度矢量位置上的濃度值及其系綜平均值,從而可以得到平均濃度和瞬時(shí)脈動(dòng)濃度場。

利用與上述時(shí)間對應(yīng)的瞬時(shí)脈動(dòng)速度場和瞬時(shí)脈動(dòng)濃度場,就可以計(jì)算出湍流擴(kuò)散的特征量,以實(shí)現(xiàn)真正意義上同步測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

4 應(yīng)用與結(jié)果

4.1 平均速度和濃度

圖3和圖4分別給出了應(yīng)用同步測量方法得到的槽道截面內(nèi)平均流向速度和注入溶液在垂直壁面方向上的平均濃度分布。圖3中的縱坐標(biāo)為基于槽道內(nèi)平均速度(Ub)做無量綱化的平均流向速度;圖4中的縱坐標(biāo)C/C0代表基于注入水或溶液最大熒光強(qiáng)度值計(jì)算的無量綱平均濃度值。

圖3 槽道截面上不同類型流體的平均流向速度分布

圖4 垂直壁面方向不同類型流體的平均濃度分布

由圖3可以看出,槽道中呈拋物線分布的平均流向速度,經(jīng)積分可求得槽道內(nèi)截面上平均速度為0.82 m/s。該結(jié)果與試驗(yàn)槽道內(nèi)通過流量反算的平均流速一致。這也證明了測量結(jié)果及該同步測量方法的可靠性。此外,對比發(fā)現(xiàn),靠近多孔壁面處,注入聚合物溶液的平均速度分布略大于注入水流的平均速度,這與黏彈性的高分子聚合物溶液造成的湍流減阻現(xiàn)象一致。黏彈性溶液抑制近壁渦結(jié)構(gòu),使得近壁區(qū)域內(nèi)流體脈動(dòng)速度傾向于以流向方向?yàn)橹鲗?dǎo),從而改變了近壁區(qū)域的速度分布。槽道另一側(cè)壁面附近的流體因注入聚合物溶液擴(kuò)散較慢并未受到影響,速度分布與注水條件下相同。

由圖4可以看出,在注入聚合物溶液的條件下,溶液的平均濃度在近壁處梯度很大,且其近壁的無量綱平均濃度明顯高于注水條件下的值,而注入的水在垂直壁面方向整體平均濃度梯度較小且很平穩(wěn)。這表明,與水相比,聚合物溶液在槽道湍流中的擴(kuò)散較慢。究其原因,同樣是受黏彈性溶液抑制了湍流渦結(jié)構(gòu)的影響。這些定性結(jié)果與文獻(xiàn)[4-5]中的報(bào)道一致,反映了同步測量中標(biāo)量測定結(jié)果的可靠性。

4.2 脈動(dòng)速度與濃度

圖5給出了注入水和聚合物溶液條件下測量平面內(nèi)典型瞬時(shí)流向與垂直壁面方向的脈動(dòng)速度和量與脈動(dòng)濃度圖。圖5中的云值即為該瞬間各矢量位置上的無量綱脈動(dòng)濃度值。

由圖5(a)可知,在注水的槽道中,速度矢量反映出了豐富的渦結(jié)構(gòu)信息,且注入的被染色的水分布在全場,表現(xiàn)為各處脈動(dòng)濃度均有較大的值。由圖5(b)可知,受注入聚合物溶液的影響,槽道湍流中近壁渦結(jié)構(gòu)得到一定程度的抑制,聚合物的擴(kuò)散也受抑制,在遠(yuǎn)離壁面位置,脈動(dòng)濃度值較小。由此可見,應(yīng)用同步測量方法,可以很方便地獲取能反應(yīng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)和濃度標(biāo)量瞬時(shí)分布的信息,便于查明兩者的相互作用機(jī)制與影響。

圖5 測量平面內(nèi)不同類型流體的脈動(dòng)速度矢量和脈動(dòng)濃度

4.3 湍流擴(kuò)散的質(zhì)通量

湍流質(zhì)通量由測量所得的平面內(nèi)相同位置脈動(dòng)濃度值與脈動(dòng)速度值相乘而得,隨后結(jié)合所有拍攝到的瞬時(shí)圖像做系綜統(tǒng)計(jì)平均,得到垂直壁面方向(y方向)上不同位置的湍流質(zhì)通量。其中,對湍流擴(kuò)散傳質(zhì)起主導(dǎo)作用的垂直壁面方向湍流質(zhì)通量的表達(dá)式為

(2)

式中:c′ ——濃度脈動(dòng)值;

v′——垂直壁面方向上的脈動(dòng)速度;

Nx——每條流向線上的數(shù)據(jù)點(diǎn);

Nk——同步拍攝圖像數(shù);

k——樣本序號。

圖6給出了注入水和聚合物溶液兩種條件下,在測量平面內(nèi)基于壁面最高濃度和摩擦速度的無量綱垂直壁面方向的湍流質(zhì)通量。

圖6 垂直壁面方向不同類型流體的湍流質(zhì)通量

由圖6可知,在整個(gè)槽道靠近注入壁面的半高區(qū)域內(nèi),注入聚合物溶液條件下的垂直壁面方向的湍流質(zhì)通量較注水流都要小,僅在近壁y/h=0.1以內(nèi)的位置比較接近。這同樣表明從多孔壁注入的聚合物溶液沿垂直壁面方向向遠(yuǎn)離壁面位置的擴(kuò)散得到了抑制。此外,試驗(yàn)獲取的湍流質(zhì)通量還可用于對數(shù)值模擬湍流擴(kuò)散的結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

本文中,基于PIV與PLIF同步測量可得流場內(nèi)脈動(dòng)速度和脈動(dòng)濃度,還可以獲得動(dòng)量和傳質(zhì)的渦擴(kuò)散系數(shù)、湍流施密特?cái)?shù)等特征參數(shù),用于定量聚合物擴(kuò)散及標(biāo)量輸運(yùn)的特征。

5 結(jié) 論

(1) 在使用合理濃度的示蹤粒子與熒光染料、設(shè)置合理曝光時(shí)間的基礎(chǔ)上,采用PIV與PLIF同步測量可以成功獲取測試平面內(nèi)的速度矢量和濃度標(biāo)量等場信息。

(2) 同步測量數(shù)據(jù)的處理是將同步測量方法成功應(yīng)用于湍流擴(kuò)散特征研究的關(guān)鍵之一。根據(jù)脈動(dòng)速度和脈動(dòng)濃度的同步數(shù)據(jù)可以有效定量湍流擴(kuò)散通量等參數(shù),從而確定溶液在湍流流動(dòng)中的擴(kuò)散特征。