龔迎莉，衡思江，祁海鷹

(清華大學(xué) 熱科學(xué)及動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

激光多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于流場(chǎng)中示蹤粒子的粒徑和速度測(cè)試，及噴霧特性和多相流的科學(xué)研究中。對(duì)于非旋轉(zhuǎn)粒子的流場(chǎng)，通常一維和二維的測(cè)試模式都可滿足要求。利用PDA，人們研究過(guò)噴嘴的噴霧特性[1-4]及燃燒器的氣固兩項(xiàng)流和速度場(chǎng)等[5-6]，研究噴嘴和燃燒器應(yīng)用方面的文章很多，但是探討PDA測(cè)試技術(shù)的文章幾乎沒(méi)有，大多數(shù)是測(cè)試流場(chǎng)中示蹤粒子的粒徑分布情況、一維速度和二維速度。如果不帶旋流的射流，通過(guò)測(cè)試垂直的2個(gè)半徑上的二維速度，即可獲得3個(gè)分速度。

本文利用激光多普勒測(cè)速儀(3D-LDA的模式)對(duì)封閉式的燃燒器旋轉(zhuǎn)射流流場(chǎng)的三維速度的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究。在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)3D-LDA的發(fā)射探頭和接收探頭的擺放方式不同的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)臺(tái)流場(chǎng)中的三維速度的對(duì)稱性和數(shù)據(jù)大小方面存在一定的差異，結(jié)合數(shù)值模擬的速度值進(jìn)行對(duì)比，并就此問(wèn)題展開探討，以便更真實(shí)地反映流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況，具有科學(xué)研究的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、測(cè)試儀器與方法

PDA測(cè)試速度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖和旋流噴嘴的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。旋流噴嘴噴出示蹤粒子，采用3D-LDA的模式的非協(xié)同模式對(duì)實(shí)驗(yàn)中的示蹤粒子進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試分為3個(gè)階段：(1)旋流噴嘴的噴口朝水平方向的測(cè)試，見(jiàn)圖2；(2)旋流噴嘴的噴口朝上的測(cè)試，2個(gè)探頭互相垂直，采集信號(hào)相互接收，見(jiàn)圖3(a)；(3)旋流噴嘴的噴口朝上的測(cè)試，2個(gè)探頭呈一定夾角，采集信號(hào)相互接收，見(jiàn)圖3(b)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 旋流噴嘴水平放置時(shí)的測(cè)試示意圖(俯視圖)

圖3 不同的測(cè)量接收模式

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在3D-LDA的測(cè)試中，采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，屬于點(diǎn)式測(cè)量。激光發(fā)生器產(chǎn)生的光經(jīng)過(guò)布萊格分光器獲得綠、藍(lán)、紫3種顏色的激光光束，通過(guò)3束光加40 MHz頻移解決速度的方向問(wèn)題，即沒(méi)有加頻移的光指向加頻移的光斑方向?yàn)樗鶞y(cè)分速度的正向，相同顏色的兩束光在測(cè)量體區(qū)域產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，照射到流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)著的示蹤粒子，產(chǎn)生散射。接收到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電倍增管放大轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)入多普勒信號(hào)處理器，多普勒信號(hào)轉(zhuǎn)化成速度[7-8]。散射光的頻率和入射光的頻率比較，存在頻率偏移，即頻差，該頻差和示蹤粒子的速度成正比關(guān)系：

(1)

式中，θ是兩束入射光之間的夾角，fD是頻差

1.2 儀器與實(shí)驗(yàn)裝置

激光多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)：測(cè)量所用儀器是丹麥Dantec公司的Classic PDA，信號(hào)處理器型號(hào)為BSA60。探頭具有發(fā)射激光和接收散射光信號(hào)的功能。2D探頭發(fā)射514.5 nm綠光和488 nm藍(lán)光，1D探頭發(fā)射476.5 nm紫光；2D探頭接收紫光的散射光信號(hào)，1D探頭接收綠光和藍(lán)光的散射光信號(hào)。三維坐標(biāo)架在3個(gè)方向的移動(dòng)距離都為610 mm。

燃料旋流器為裝有8個(gè)45°直葉片的軸向旋流器[9]。燃燒腔室豎直縱截面為85 mm×85 mm的方形，高120 mm。燃燒腔室上方接一個(gè)由方形逐漸過(guò)渡到圓形的過(guò)渡段，最后經(jīng)圓柱形出口連接大氣。觀測(cè)窗口采用普通玻璃，其他非觀測(cè)窗口貼有黑紙，避免環(huán)境雜光影響。

1.3 測(cè)量方法可行性的檢驗(yàn)

對(duì)旋流噴嘴進(jìn)行了不同角度和不同高度的流場(chǎng)的x軸的直徑方向進(jìn)行三維速度的測(cè)試。

流場(chǎng)測(cè)試的模擬燃料流量Qf=9 m3/h，實(shí)驗(yàn)選取了跟隨性強(qiáng)的平均粒徑為1.6m的飛灰微粒作為示蹤粒子[10]，給料量為80 g/h。

首先將旋流噴嘴水平放置進(jìn)行了測(cè)試檢驗(yàn)(見(jiàn)圖2)，發(fā)現(xiàn)激光入射光與噴嘴出口壁面的反射光影響多普勒干涉，導(dǎo)致信噪比小，儀器無(wú)法正常工作。后改為射流方向向上的垂直放置，并檢驗(yàn)了以下3種情況：

(1) 交互式側(cè)向接收模式(見(jiàn)圖3a)，流場(chǎng)中不同高度的三維速度測(cè)試；

(2) 交互式側(cè)向接收模式，旋流燃燒器的擺放位置和有無(wú)觀察窗口的三維速度測(cè)試；

(3) 后向接收模式(見(jiàn)圖3b)，變換旋流噴嘴的噴射位置，調(diào)節(jié)探頭的放置位置，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行三維速度的測(cè)試，并對(duì)軸向速度、切向速度和徑向速度差異進(jìn)行討論。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光與實(shí)驗(yàn)件壁面的干涉問(wèn)題

如圖2所示，當(dāng)旋流噴嘴的噴口朝水平方向時(shí)，流場(chǎng)的主流速度為水平方向，2個(gè)探頭放在一個(gè)坐標(biāo)架的懸梁上，2D發(fā)射探頭(綠光和藍(lán)光)的入射角度為0°，1D發(fā)射探頭(紫光)的入射角為28°，接收信號(hào)采用交互式后向接收的模式。采集情況并不理想，光電倍增管的高壓的設(shè)定值在600～700 V時(shí)，光電倍增管的極電流顯示過(guò)載，儀器的分辨率很低，基本上得不到理想的速度分布的直方圖。分析原因：入射光實(shí)驗(yàn)臺(tái)壁面的反射光信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于后向接收的散射光信號(hào)，可能是激光照射到旋流噴嘴的噴口處，反射光干擾了多普勒干涉，影響測(cè)試，接收到的光信號(hào)不能真實(shí)反映實(shí)際的散射光的信號(hào)。同時(shí)，加載的高壓值太低，儀器的分辨率低，接收到示蹤粒子的散射光的強(qiáng)度太弱，儀器噪聲太高，無(wú)法正常工作。

2.2 旋流噴嘴的噴口朝上，兩個(gè)探頭交互式側(cè)向接收布局對(duì)三維速度的測(cè)試影響

如圖3(a)所示，改變旋流噴嘴的噴口，朝左側(cè)噴更改為朝上噴射，光電倍增管高壓的設(shè)定值為1 200 V，儀器的分辨率提高，采集過(guò)程中，整體上綠、藍(lán)、紫光的有效率比較協(xié)調(diào)，差異小，數(shù)據(jù)率也較高。綠光測(cè)軸向速度，藍(lán)光測(cè)徑向速度，紫光測(cè)切向速度。儀器測(cè)試過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)較好。

2.2.1 發(fā)射探頭垂直擺放，相互接收

當(dāng)旋流噴嘴的噴口朝上時(shí)，流場(chǎng)的主流速度為豎直向上，2個(gè)探頭放在L型的坐標(biāo)架上，2個(gè)探頭垂直擺放。在開始的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)架的懸臂有晃動(dòng)，由于懸臂一側(cè)的鏡頭較重，另一側(cè)輕，不能真實(shí)地反映流場(chǎng)示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)情況。采用軟件中的延時(shí)功能，設(shè)定移動(dòng)坐標(biāo)架2 s后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣更能真實(shí)的反映流場(chǎng)情況。

如圖4所示，對(duì)3個(gè)高度為1.2、3.2、6.2 mm進(jìn)行了測(cè)試，圖4(a)中，軸向速度的對(duì)稱性較好，x軸的正向數(shù)值比負(fù)向數(shù)值高，可能是旋流噴嘴的流場(chǎng)有一點(diǎn)向x軸的負(fù)向側(cè)偏，相對(duì)而言，正向最高值的測(cè)量點(diǎn)離噴口更近一些。隨著高度的變化，軸向速度最大值的位點(diǎn)向兩邊擴(kuò)張，數(shù)據(jù)表明旋轉(zhuǎn)射流整體呈錐形噴射。圖4(b)中，切向速度的對(duì)稱性較好，但是圖形整體向x軸正向偏移約0.25 mm。原因是坐標(biāo)架沿著x軸方向移動(dòng)時(shí)，2D發(fā)射探頭發(fā)射出的激光的測(cè)量點(diǎn)距離始終不變，而1D發(fā)射探頭距離測(cè)試窗口不斷變化，玻璃和空氣的折射率不同，導(dǎo)致切向速度整體偏移，所測(cè)位置越高，切向速度的最大值的位點(diǎn)向兩側(cè)擴(kuò)張，與軸向速度一樣符合錐形噴射的變化規(guī)律。圖4(c)中，徑向速度最大值的位置的對(duì)稱性較好，而x軸正向的徑向速度最大值明顯大于負(fù)向的最大值，進(jìn)一步驗(yàn)證x軸正向的測(cè)試點(diǎn)距離噴口更近一些，和圖4(a)的推測(cè)結(jié)論相一致。所測(cè)位置越高，徑向速度峰形分布圖對(duì)稱性更強(qiáng)，反映出速度分布的規(guī)律性。而Z=1.2 mm的徑向速度很不穩(wěn)定，離噴口太近，受到的干擾因素較多，比如粒子分布均勻性差、散射光在器件上的反射光干擾、沉降的示蹤粒子及玻璃的折射等因素。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)燃燒器和取消玻璃窗口的測(cè)試

圖5為Z=1.2 mm的不同測(cè)試條件(分別為原始條件Ⅰ，即燃燒器原位旋轉(zhuǎn)；條件Ⅱ?yàn)槿紵鲊娍谛D(zhuǎn)180°、條件Ⅲ為燃燒器噴口旋轉(zhuǎn)180°和無(wú)玻璃窗口)下的速度分布圖。圖5(a)中：條件Ⅰ下x軸的-6.4 mm處的Vz最大值為34.83 m/s，5.8 mm處的Vz最大值31.88m/s；條件Ⅱ下，x軸的-6 mm處的Vz最大值36.96 m/s，6.6 mm處的Vz最大值37.23 m/s；條件Ⅲ下，x軸的-6 mm處的Vz最大值34.3 m/s，6 mm處的Vz最大值36.18 m/s。3種測(cè)試情況，整體上圖形的軸向速度的對(duì)稱性較好。條件Ⅰ和條件Ⅱ的Vz最大值比較，測(cè)試結(jié)論正好相反，進(jìn)一步證實(shí)噴嘴的噴射向一側(cè)偏斜。圖5(b)中：切向速度的峰形分布圖的對(duì)稱性較好，條件Ⅲ的速度分布圖在x軸的-6 mm和6.4 mm處出現(xiàn)的Vt最大值分別為28.54 m/s，28.37 m/s，切向速度的峰形的對(duì)稱性更好，Vt最大值也更加接近；條件Ⅰ和條件Ⅱ下，切向速度的速度分布圖以x=0.5 mm處為對(duì)稱點(diǎn)，圖形的對(duì)稱性也挺好，整體往x軸正向偏移大約0.5 mm，由此可見(jiàn)，玻璃的密度比環(huán)境的空氣密度大，空氣的折射率約為1，玻璃的折射率按成分不同而為1.5～1.9，玻璃的折射率對(duì)光的發(fā)射和接收都有一定的影響，導(dǎo)致測(cè)出的切向速度峰形分布圖向x軸的正向偏移。在圖5(c)中：徑向速度分布的對(duì)稱性較差，徑向速度分布圖的峰值差異較大。究其原因，由2.2.1知，離噴嘴太近，干擾較嚴(yán)重，Vr不能很好地反映流場(chǎng)的徑向速度。三種不同的測(cè)試情況比較而言，從峰形分布而言，條件Ⅲ測(cè)試的三維速度的數(shù)據(jù)更為理想，峰形的對(duì)稱性更好，三維速度的最大值也較為接近。

圖4 單獨(dú)噴射模擬燃料時(shí)的速度分布

圖5 側(cè)向接收速度分布圖(z=1.2mm)

2.3 旋流噴嘴的噴口朝上的測(cè)試、后向接收對(duì)三維速度的測(cè)試影響

為了真實(shí)反映封閉流場(chǎng)的工作情況，有一些流場(chǎng)的測(cè)試必須在封閉的條件下測(cè)試。將探頭的布局模式改變成后向接收(見(jiàn)圖3(b))，2D探頭和1D探頭放置在坐標(biāo)架的一個(gè)懸臂上，測(cè)試的速度不再是兩兩垂直的三維速度，需要將角度轉(zhuǎn)化為三維速度。探頭旋轉(zhuǎn)角度的讀數(shù)分別為α1=0°,α2=21°，見(jiàn)圖6，此時(shí)三維速度的轉(zhuǎn)化公式如下：

圖6 3D-LDA的幾何圖

(2)

測(cè)得3個(gè)分速度值，經(jīng)過(guò)公式(2)的換算獲得三維分速度見(jiàn)圖7，軸向速度、切向速度和徑向速度在x軸的最大值基本都出現(xiàn)在±6.5 mm的坐標(biāo)上。在坐標(biāo)x軸負(fù)向的峰值出現(xiàn)在6.4 mm處，VZ最大值為33.93 m/s，在6.6 mm處Vt最大值為33.78 m/s；正向的峰值出現(xiàn)在-6.6 mm處，VZ最大值為35.37 m/s，在6.6mm處Vt最大值為-32.08 m/s。由2.2.1節(jié)知，離噴嘴太近，干擾較嚴(yán)重，Vr不能很好地反映流場(chǎng)的徑向速度。在這里主要參考軸向速度和徑向速度。三維分速度的峰值出現(xiàn)的位點(diǎn)基本接近。圖形的對(duì)稱性比2.2節(jié)中的優(yōu)化了，更能真實(shí)地反映流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況，依據(jù)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)的人反映，噴口負(fù)向的數(shù)值與模擬出旋流噴嘴的燃燒的計(jì)算值比較吻合。在后續(xù)的試驗(yàn)中，確定x軸的負(fù)半軸為測(cè)試對(duì)象，反映實(shí)驗(yàn)臺(tái)的流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度情況。

圖7 后向接收速度分布圖(z=1.2mm)

3 結(jié)論

本文采用3D-LDA的非協(xié)同交互式采集模式測(cè)試，對(duì)旋流噴嘴進(jìn)行了3維速度的測(cè)試。結(jié)論如下：

(1) 針對(duì)開放式的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用2個(gè)探頭互相垂直的L型布局，無(wú)需速度換算，即可直接測(cè)得3維速度；

(2) 對(duì)有玻璃觀測(cè)窗口的情形，宜采用后向接收的探頭布局。當(dāng)兩個(gè)探頭逐點(diǎn)測(cè)量移動(dòng)時(shí)，其激光測(cè)量體位置保持不變，避免了L型布局的缺陷；

(3) 如對(duì)有玻璃觀測(cè)窗口的情形仍采用L型探頭布局，則必須采取相應(yīng)的措施消除玻璃折射導(dǎo)致的激光測(cè)量體位置的偏移，如減小觀測(cè)窗玻璃厚度，或采用低密度透光材料，材料來(lái)源保持一致，或通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得偏移量的校正系數(shù)，進(jìn)而對(duì)測(cè)量體位置進(jìn)行校正。

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