傅 耀 ,王 彤 ,陳錦成,谷傳綱,許 峰

(上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

0 引 言

在軸流式或離心式壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)作中,常遇到氣體工質(zhì)中夾雜固體顆粒的問(wèn)題。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片絕對(duì)速度高,而固體顆粒在其慣性影響下,在流道內(nèi)無(wú)法完全跟隨氣體運(yùn)動(dòng)軌跡,可能與葉片表面發(fā)生碰撞,造成葉片磨損和破壞,這樣的現(xiàn)象被稱為“砂蝕”[1]。砂蝕現(xiàn)象會(huì)造成機(jī)組工作效率降低,甚至造成葉片破裂、機(jī)器損毀的嚴(yán)重事故。傅耀、王彤等[2]通過(guò)CFD計(jì)算結(jié)合理論分析發(fā)現(xiàn),壁面射流能夠在流道不同位置產(chǎn)生局部的高/低濃度區(qū),并沿流動(dòng)方向具有持續(xù)效果,為顆粒的分離提供必要條件,是一種有望用于慣性粒子分離器和流體機(jī)械中,強(qiáng)化顆粒分離、保護(hù)機(jī)器的主動(dòng)控制方法。

Wicker[3]等進(jìn)行了自由射流內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)的試驗(yàn)研究,通過(guò)研究不同粒徑顆粒在自由射流渦結(jié)構(gòu)中的分布,指導(dǎo)燃燒室燃料噴射,達(dá)到穩(wěn)定火焰結(jié)構(gòu)的目的。Linscinsky[4]等進(jìn)行了帶主流條件下的單相射流摻混結(jié)構(gòu)研究,針對(duì)射流孔直徑、射流流量等參數(shù)對(duì)摻混效果的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析,指導(dǎo)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室出口摻混降溫技術(shù)的相關(guān)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。而針對(duì)受限空間內(nèi)帶主流條件下的兩相射流結(jié)構(gòu)的研究,就作者所知,尚沒(méi)有相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)表。而該流動(dòng)結(jié)構(gòu)正是慣性粒子分離器或帶有顆粒的流體機(jī)械流道內(nèi)的流動(dòng)模型,研究該流動(dòng)具有重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

為此,搭建了帶主流矩形受限空間內(nèi)射流影響下的氣固兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),并使用PIV測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量,獲得了流場(chǎng)內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)信息,并分析不同粒徑顆粒在射流影響下的時(shí)均分布情況。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

常見(jiàn)的氣固兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為縱向?qū)嶒?yàn)臺(tái),如文獻(xiàn)[5-6]中在研究氣固兩相流動(dòng)中使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。這樣的處理在研究湍流場(chǎng)內(nèi)顆粒分布時(shí),能夠從時(shí)均效果上避免顆粒的切割流線效應(yīng)(cross-trajectory effect[7])的影響,使顆粒在湍流場(chǎng)內(nèi)的分布和顆粒耗散主要通過(guò)慣性效應(yīng)起作用。在高顆粒濃度的氣固兩相實(shí)驗(yàn)臺(tái)中,縱向通道能夠防止顆粒在重力作用下聚集于固體壁面,造成堆積或流道堵塞,防止顆粒在流道內(nèi)的嚴(yán)重不均勻分布情況。

但是縱向?qū)嶒?yàn)臺(tái)會(huì)造成實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建、實(shí)驗(yàn)操作上的難度,并且在實(shí)驗(yàn)空間上受到很大的限制。因此嘗試建立橫向的實(shí)驗(yàn)臺(tái),通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案,在橫向?qū)嶒?yàn)段中使顆粒能夠分布在整個(gè)實(shí)驗(yàn)通道內(nèi),形成較均勻的分布。通過(guò)文獻(xiàn)[2]的數(shù)值計(jì)算和理論分析,當(dāng)主流速度超過(guò)10m/s時(shí),在1m長(zhǎng)的橫向?qū)嶒?yàn)通道內(nèi),重力作用對(duì)顆粒分布的影響,相比射流的影響可以忽略。搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic of the experimental tunnel apparatus

使用入口流量計(jì)測(cè)量試驗(yàn)通道內(nèi)的主流氣流流量。氣流經(jīng)轉(zhuǎn)向通道進(jìn)入上行通道中,顆粒通過(guò)上行通道壁面所設(shè)置的給粉管進(jìn)入試驗(yàn)通道。顆粒在進(jìn)入上行通道時(shí)具有沿給粉管方向向下的速度,在空氣的曳力作用下,隨氣流轉(zhuǎn)而向上方運(yùn)動(dòng)。在上行通道中設(shè)置多層隔柵網(wǎng),使顆粒能夠與氣流充分混合。氣固混合流經(jīng)轉(zhuǎn)向通道,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)臺(tái)橫向部分。在轉(zhuǎn)向通道內(nèi),由于顆粒的慣性作用,顆粒的分布將聚集于通道上壁面附近,此時(shí)顆粒群具有較大的平均高度。在重力作用下,沿橫向運(yùn)動(dòng)方向,顆粒群的平均高度將有所下降。但是單獨(dú)依靠重力作用降低顆粒群平均高度需要提供長(zhǎng)通道,且該作用不可調(diào)。因此,在橫向通道內(nèi)設(shè)置了多層隔柵網(wǎng),使顆粒群在與隔柵網(wǎng)的碰撞過(guò)程中強(qiáng)化分布均勻化。橫向通道中的隔柵網(wǎng)數(shù)量和位置是調(diào)整顆粒在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)分布的主要手段。通過(guò)多次的嘗試,發(fā)現(xiàn)在橫向過(guò)渡段中架設(shè)5層隔柵網(wǎng),間距100mm是比較理想的處理方式,能夠在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)需進(jìn)一步調(diào)整隔柵網(wǎng),達(dá)到無(wú)射流條件下不同粒徑顆粒分布均勻的條件。詳細(xì)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)3.3節(jié)。

攜帶顆粒的氣體經(jīng)圓轉(zhuǎn)方改變通道形狀,然后進(jìn)入隔柵,顆粒進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的縱向位置在此確定,同時(shí)顆粒的縱向速度在隔柵中受到抑制,可認(rèn)為顆粒在進(jìn)入通道時(shí)不具有縱向的時(shí)均速度,以與主流速度一致的方向進(jìn)入試驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)通道長(zhǎng)寬高L×W×H=1000mm×300mm×80mm。將長(zhǎng)寬高方向分別定義為X,Y,Z方向,以實(shí)驗(yàn)段入口面下邊界中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn),建立三維坐標(biāo)。在通道底部中點(diǎn)位置(X=500mm)設(shè)置直徑D=10mm的射流孔。射流氣體在大氣壓力的作用下垂直進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,射流速度由射流管入口的阻流片進(jìn)行控制。

攜帶顆粒的氣流受到射流的影響后經(jīng)風(fēng)機(jī)排出,顆粒在風(fēng)機(jī)出口采用布袋捕捉防止污染環(huán)境。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

以丹麥DANTEC公司數(shù)字式二維PIV激光流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)為主要實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備。該系統(tǒng)包括片光源系統(tǒng)、圖像拍攝系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)和FLOWMAP后處理軟件等。PIV系統(tǒng)的激光器為雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器,最大工作頻率10Hz,每個(gè)脈沖能量 200mJ,激光波長(zhǎng) 532nm(綠光),片光源厚度1mm,張角14°。CCD相機(jī)像素為4000×2096。拍攝平面為流道對(duì)稱截面Y=0截面。

實(shí)驗(yàn)中共使用4種固體顆粒,其參數(shù)如表1所示。其中P1顆粒粒徑參數(shù)由生產(chǎn)廠商提供,該顆粒具有極小的速度松弛時(shí)間,作為極小粒徑顆粒進(jìn)行顆粒分布的分析,同時(shí)也作為示蹤粒子進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量。3種玻璃微珠的粒徑參數(shù)采用Beckman Coulter公司的LS13 320顆粒粒徑分析儀進(jìn)行分析。

表1 實(shí)驗(yàn)顆粒參數(shù)表Tabel 1 Parameters of different classes of particles

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括PIV互相關(guān)計(jì)算實(shí)驗(yàn),無(wú)射流/帶射流條件下的顆粒分布實(shí)驗(yàn)及揭示流場(chǎng)瞬態(tài)渦結(jié)構(gòu)的流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)。

由于本次實(shí)驗(yàn)中拍攝時(shí)的空間放大率為38.8m/pixel。在流道內(nèi),示蹤粒子與顆粒的光斑沒(méi)有明顯的大小區(qū)別。如果同時(shí)添加示蹤粒子和固體顆粒將無(wú)法通過(guò)圖片處理區(qū)分不同顆粒,因此實(shí)驗(yàn)中采取分別添加示蹤粒子和固體顆粒的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種處理方法可行的前提是顆粒濃度足夠低,不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響。

實(shí)驗(yàn)中針對(duì)不同種類(lèi)的顆粒采取相同的顆粒質(zhì)量流量進(jìn)行顆粒添加,0.74g/s。折算為顆粒體積濃度為0.9‰,屬于氣固兩相流動(dòng)中的稀相流動(dòng)范圍。

3.1 氣流場(chǎng)互相關(guān)計(jì)算結(jié)果

設(shè)定跨幀延時(shí)60μ s,對(duì)帶射流/無(wú)射流條件下的流道中截面分別拍攝200對(duì)照片,并進(jìn)行PIV互相關(guān)計(jì)算,查詢區(qū)大小為 32pixel×32pixel,50%重疊區(qū),采用3重迭代算法增加計(jì)算穩(wěn)定性,使用變形窗口算法增強(qiáng)高速度梯度區(qū)域的計(jì)算精確度。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),受到固體壁面透射/反射光的影響,在壁面附近的互相關(guān)計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。而主要關(guān)心的是射流對(duì)主流區(qū)域內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)和顆粒分布的影響,因此可以刪除壁面附近的結(jié)果。

對(duì)帶射流/無(wú)射流條件兩種情況下的200對(duì)照片的瞬態(tài)結(jié)果分別進(jìn)行平均處理后,可得流道對(duì)稱截面上的時(shí)均速度。取不同主流位置上沿高度Z方向的主流方向和垂直方向速度分布如圖2所示。

圖2 時(shí)均流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.2 Mean fluid velocity from correlation calculation

由圖2可見(jiàn),無(wú)射流條件下,通道內(nèi)拍攝段氣流基本達(dá)到均勻流動(dòng)狀態(tài)。表現(xiàn)為垂直方向速度基本為0,主流方向速度分布均勻。射流對(duì)射流孔上游1D位置(X=490mm)的氣流場(chǎng)產(chǎn)生了一定影響,包括主流方向上以流道中心高度為區(qū)隔,通道上部速度有所增加,通道下部速度減小。垂直方向上受到射流影響,通過(guò)流體的粘性作用,在通道內(nèi)形成了向上方運(yùn)動(dòng)的速度。在受到壁面射流影響后,由圖2(a)觀察,氣流場(chǎng)在射流結(jié)構(gòu)尾部、下壁面附近形成了明顯的主流方向低速區(qū),對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的V速度有所增加,通過(guò)計(jì)算合速度發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的氣流速度較低,形成了流道內(nèi)的低速區(qū)。同時(shí)通道上方的主流速度略有增大。觀察減速區(qū)域與增速區(qū)域的交界位置,如圖2(a)中所示,發(fā)現(xiàn)該位置在射流孔后逐漸由下壁面附近向通道中間位置移動(dòng),也就是說(shuō)隨著流動(dòng)向下游發(fā)展,低速區(qū)范圍逐步增大。通道內(nèi)的主流速度極小值位置也向通道中心移動(dòng),同時(shí)極小值絕對(duì)值增加。射流的影響在流道內(nèi)形成了明顯的主流速度梯度,隨著流動(dòng)進(jìn)一步向下游發(fā)展,在氣體粘性的影響下,射流的影響逐步耗散,氣流逐步恢復(fù)均勻流動(dòng)狀態(tài)。在射流孔下游15D位置后,氣流速度受到射流的影響逐漸減小并逐漸趨于恢復(fù)充分發(fā)展流動(dòng)的特征。由垂直方向速度圖可見(jiàn),受到流動(dòng)上壁面的限制,氣流的垂直速度受到射流影響的范圍相對(duì)較小。速度V極大值位置,始終位于通道下方Z＜2D的范圍內(nèi)。

3.2 不同粒徑顆粒在帶射流/無(wú)射流條件下的時(shí)均分布

采取1Hz拍攝頻率,每組拍攝20張流道內(nèi)顆粒分布圖片,在同一條件下拍攝10組,共200張圖片,記錄下200個(gè)瞬時(shí)的平面顆粒分布,計(jì)算圖片組中每個(gè)象素點(diǎn)的灰度方差并將該方差矩陣寫(xiě)成圖片形式,如圖3所示(為清晰圖片做了反色處理)。圖片組的灰度方差能夠?qū)D片組內(nèi)的所有顆粒信息疊加,通過(guò)觀察分析該灰度方差圖片,可直觀分析顆粒在流道內(nèi)的時(shí)均濃度分布。由圖3可見(jiàn),通過(guò)合理調(diào)整實(shí)驗(yàn)段前的平穩(wěn)過(guò)渡通道內(nèi)的隔柵網(wǎng)數(shù)量,能夠在橫向布置的實(shí)驗(yàn)段中,使不同粒徑顆粒均勻充滿整個(gè)通道高度,顆粒不會(huì)在重力作用下大量聚集于下壁面附近,在通道內(nèi)形成較均勻的分布。在帶射流條件下,同樣工況的流場(chǎng)內(nèi),假設(shè)不同粒徑顆粒的添加不會(huì)對(duì)時(shí)均流場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響,記錄200個(gè)瞬時(shí)的流道對(duì)稱截面內(nèi),得到同一流場(chǎng)下的不同顆粒分布,并統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn),不同粒徑的顆粒在射流影響下,時(shí)均分布表現(xiàn)出非常明顯的差異。其中作為示蹤粒子的P1顆粒,在射流局部快速響應(yīng)局部速度變化形成局部低濃度區(qū)域,但隨著渦旋結(jié)構(gòu)的破裂迅速在下游通道重新恢復(fù)均勻分布。在流場(chǎng)形成的射流孔下游低速區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi),P1顆粒形成了明顯的顆粒聚集現(xiàn)象。由于P1顆粒跟隨流體運(yùn)動(dòng)的能力強(qiáng),在流體低速區(qū)內(nèi),通過(guò)顆粒與流體間的曳力作用,顆粒動(dòng)能明顯降低,并在下壁面附近形成明顯的聚集。

P2顆粒受到射流的影響最大,由射流孔位置開(kāi)始形成了具有清晰邊界的低濃度區(qū)域。該區(qū)域在高度方向上能夠占據(jù)整個(gè)通道約1/3的高度。同時(shí)與P1顆粒類(lèi)似,在低速區(qū)內(nèi),P2顆粒也形成了一定的聚集,但其范圍小,主要發(fā)生在射流孔下游的下壁面附近的范圍內(nèi)。這是由于P2顆粒慣性相比P1顆粒較大,只有位于低速區(qū)固體邊界層內(nèi)的P2顆粒才會(huì)發(fā)生明顯的動(dòng)能降低,并聚集于下壁面附近。大部分的P2顆粒受到射流沖擊后不會(huì)進(jìn)入低速區(qū)范圍內(nèi),而進(jìn)入通道上半部分的流動(dòng)通道內(nèi),并向下游運(yùn)動(dòng)。

P3顆粒在射流影響下,也能夠產(chǎn)生明顯的低濃度區(qū)域,但是該區(qū)域與P2顆粒相比范圍更小,低濃度區(qū)起始位置也位于更下游的位置。射流孔下游下壁面無(wú)明顯顆粒聚集。

P4顆粒是該實(shí)驗(yàn)中所使用顆粒中平均粒徑最大的顆粒。顆粒的大慣性起到?jīng)Q定性影響。在射流流場(chǎng)內(nèi),顆粒幾乎不受到射流的影響,直接穿越射流渦結(jié)構(gòu),保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向下游運(yùn)動(dòng)。顆粒的分布與無(wú)射流條件下無(wú)明顯區(qū)別。

圖3 無(wú)射流條件下的不同粒徑顆粒的圖片組灰度方差圖Fig.3 Intensity variance of particle image classes without jet effect

圖4 帶射流條件下的不同粒徑顆粒的圖片組灰度方差圖Fig.4 Intensity variance of particle image classes with jet effect

由上述分析可見(jiàn),不含有顆粒的射流在主流內(nèi)形成了一道阻礙顆粒的氣流屏障。對(duì)極小尺度的顆粒,在射流孔附近的小區(qū)域內(nèi),小顆粒無(wú)法進(jìn)入,但顆粒能夠通過(guò)氣流場(chǎng)的湍流擴(kuò)散作用繞過(guò)該屏障進(jìn)入射流下游的流道區(qū)域內(nèi)。對(duì)大顆粒,可直接穿越該氣流屏障進(jìn)入下游流道。而P2,P3顆粒作為主要關(guān)心的10μ m量級(jí)小尺度顆粒,在氣流屏障的影響下表現(xiàn)出了特殊的分布特性。在射流孔局部響應(yīng)射流的影響,在氣體曳力作用下,產(chǎn)生向通道上方運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),無(wú)法穿越氣流屏障。同時(shí),當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)的射流影響沿流動(dòng)發(fā)展快速耗散時(shí),P2,P3顆粒無(wú)法像P1顆粒那樣快速響應(yīng)下游流場(chǎng)內(nèi)的小尺度渦結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的湍流擴(kuò)散作用。因此P2,P3顆粒在流道內(nèi)形成并保持了明顯的低濃度區(qū),在氣流場(chǎng)中的射流影響逐步耗散后,該低濃度區(qū)依然保持。

可見(jiàn)作為一種主動(dòng)控制手段,壁面射流在有效顆粒粒徑上具有選擇性,對(duì)極小顆粒僅在射流孔局部發(fā)生影響;而大顆粒則能夠直接穿越射流結(jié)構(gòu),不受其影響;只有對(duì)10μ m量級(jí)顆粒的時(shí)均分布發(fā)生明顯影響。

在進(jìn)一步的研究工作中,為了量化分析射流擾動(dòng)對(duì)顆粒分布的影響,將嘗試在該流動(dòng)模型中建立流場(chǎng)特征參數(shù)(如Rem、Rej或射流主流速度比R=Vj/Vc)與顆粒特征參數(shù)(如τv)之間的相互關(guān)系,并指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)合理調(diào)整壁面射流相關(guān)參數(shù),有望在工程上實(shí)現(xiàn)具有針對(duì)性的小粒徑分布控制。

3.3 瞬態(tài)流場(chǎng)及顆粒分布

在流道內(nèi)添加納米級(jí)二氧化鈦顆粒,并利用PIV系統(tǒng)記錄下流場(chǎng)內(nèi)的瞬態(tài)示蹤粒子分布,能夠得到瞬態(tài)流動(dòng)顯示圖片,選取其中一幅圖片的射流孔附近局部放大圖片如圖5(a)所示,圖5(b)為文獻(xiàn)[8]中觀察自由射流渦結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)。

對(duì)圖5(a)中的圖片進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算,得到二維速度矢量,并計(jì)算平面渦量

做平面速度矢量圖和平面渦量云圖,如圖6所示。

由圖5(a)可見(jiàn),在主流影響下的受限空間射流在出口局部形成了非常清晰的擬序渦結(jié)構(gòu)。在射流結(jié)構(gòu)主流側(cè)出現(xiàn)連續(xù)的逆時(shí)針卷吸渦。在圖6的互相關(guān)計(jì)算結(jié)果中表現(xiàn)為射流孔附近的連續(xù)數(shù)個(gè)正渦量區(qū)域。同時(shí)對(duì)流場(chǎng)顯示圖片中無(wú)法清晰觀察的射流孔下游低速區(qū)域,也可從圖6中觀察到其中的流場(chǎng)情況。低速區(qū)內(nèi)存在主流方向瞬時(shí)速度u≤0的情況,說(shuō)明流體在該區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的湍流現(xiàn)象,發(fā)生滯止與逆流。整個(gè)射流結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為正負(fù)平面渦量的分布狀態(tài)。隨著流動(dòng)向下游發(fā)展,出現(xiàn)連續(xù)的渦結(jié)構(gòu)發(fā)生和脫落現(xiàn)象,在過(guò)程中伴隨著主流與射流之間的摻混。

圖5 射流渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)顯示圖片F(xiàn)ig.5 Flowvisualization of jet vortex structures

圖6 瞬態(tài)流場(chǎng)PIV計(jì)算結(jié)果Fig.6 PIV cross-correlation calculation of transient flow field

對(duì)比圖5(b)中的自由射流渦結(jié)構(gòu),兩者在渦結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)理上具有一定的相似性,但是在射流渦結(jié)構(gòu)的發(fā)展上表現(xiàn)出明顯的不同。自由射流渦結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為具有軸對(duì)稱特征的渦環(huán)結(jié)構(gòu)。而在本工況中,主流的作用效果表現(xiàn)為使射流結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜,強(qiáng)化迎風(fēng)側(cè)的渦結(jié)構(gòu)卷吸效果。迎風(fēng)側(cè)渦結(jié)構(gòu)在卷吸作用下其空間尺度快速增大,并脫落、破裂、耗散。相比之下,背風(fēng)側(cè)渦結(jié)構(gòu)處于低速流體的包圍下,在發(fā)生和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的渦結(jié)構(gòu)卷吸增大過(guò)程,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與更大的渦結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用被吞并,進(jìn)而破裂。

極小尺度的P1顆粒在圖5(a)的流場(chǎng)內(nèi)表現(xiàn)出了非常好的流動(dòng)跟隨性,能夠響應(yīng)射流孔局部的互相關(guān)渦結(jié)構(gòu),與不含有顆粒的射流氣體發(fā)生摻混。并在射流孔局部表現(xiàn)出明顯的優(yōu)先聚集(preferential concentration)現(xiàn)象,聚集于互相關(guān)渦結(jié)構(gòu)的渦核外圍。隨著渦結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)并破裂、耗散后,在湍流脈動(dòng)作用下,迅速在流道內(nèi)恢復(fù)均勻分布的狀態(tài)。相比之下從對(duì)應(yīng)的P2,P3,P4顆粒圖片中無(wú)法觀察到相似的瞬態(tài)分布現(xiàn)象。顆粒的慣性使其無(wú)法在射流孔局部響應(yīng)渦結(jié)構(gòu)的發(fā)生、卷吸過(guò)程,因此不能形成優(yōu)先聚集現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

建立了受限空間內(nèi)射流影響下的主流氣固兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)段之前的過(guò)渡段設(shè)計(jì)使顆粒均勻充滿整個(gè)通道,在下壁面不會(huì)發(fā)生明顯的堆積現(xiàn)象。在主流雷諾數(shù)Rem=7.9×104,射流雷諾數(shù)Rej=1.8×104的條件下進(jìn)行射流實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)詳細(xì)分析通道內(nèi)的氣流場(chǎng)與顆粒分布,可以認(rèn)為受限空間內(nèi)射流結(jié)構(gòu)對(duì)主流內(nèi)的顆粒分布產(chǎn)生影響主要包括兩大機(jī)理：

(1)通過(guò)在流道內(nèi)形成一道不含顆粒的氣流屏障,阻礙小尺度顆粒進(jìn)入該屏障所保護(hù)的下游區(qū)域。該效應(yīng)對(duì)文中P2,P3顆粒發(fā)生明顯作用;

(2)在射流孔下游形成低速區(qū),使顆粒通過(guò)與流體發(fā)生能量交換降低速度,并在該區(qū)域的壁面附近發(fā)生聚集。該效應(yīng)對(duì)文中P1,P2顆粒作用明顯;

由此可以預(yù)見(jiàn),壁面射流有望用于慣性粒子分離器和流體機(jī)械中,作為一種主動(dòng)控制手段,影響小尺度顆粒在流道內(nèi)的分布,包括形成局部氣流屏障,保護(hù)重要部位;形成顆粒在射流孔下游的壁面聚集,可通過(guò)壁面抽吸分離顆粒。

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