孫 然 趙會(huì)軍 王小兵 崔海清

(1.常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016；2.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

起旋粗螺紋間隙中流體流動(dòng)特性的PIV實(shí)驗(yàn)研究

孫 然1趙會(huì)軍1王小兵1崔海清2

(1.常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016；2.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

利用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)對(duì)不同介質(zhì)流體在垂直粗螺紋間隙中的螺旋流動(dòng)進(jìn)行全流場(chǎng)測(cè)量。用Tecplot軟件進(jìn)行粗螺紋間隙中螺旋流場(chǎng)顯示并對(duì)沿流動(dòng)方向上的流體速度進(jìn)行提取。分析了不同流量條件下，粗螺紋間隙中不同介質(zhì)流動(dòng)流場(chǎng)瞬時(shí)特性、沿流動(dòng)方向上流體速度分布特征和渦量場(chǎng)分布特征。結(jié)果顯示：流體在粗螺紋間隙中存在高速區(qū)和低速區(qū)，隨著流量的增加，高速區(qū)速度逐漸增大，面積逐漸減小，渦旋強(qiáng)度增加，正渦逐漸下移，負(fù)渦位置基本保持不變。在粗螺紋間隙中流體介質(zhì)的粘度對(duì)螺旋流場(chǎng)的影響較小。

螺旋流 粗螺紋間隙 PIV 速度分布 渦量場(chǎng)

螺旋流是湍流流動(dòng)中的一種特殊而規(guī)則的渦旋流動(dòng)，它可以分解為周向流動(dòng)和軸向平直流，周向流動(dòng)即為強(qiáng)制渦流。由于強(qiáng)制渦流能夠有效提高液相攜帶氣相和固相的效率，因此作為產(chǎn)生螺旋流的重要裝置，起旋器在石化行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1～5]。粗螺紋作為一種常用的起旋部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起旋效率高的優(yōu)點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)外對(duì)粗螺紋間隙中流體流動(dòng)規(guī)律研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)是一種基于流場(chǎng)圖像互相關(guān)分析的二維流場(chǎng)非接觸式測(cè)試技術(shù)。多數(shù)測(cè)速儀器只能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，且在測(cè)量時(shí)需要接觸流場(chǎng)，難免會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，影響測(cè)量結(jié)果。而PIV技術(shù)具備單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的精度和分辨率，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)低速到超聲速流場(chǎng)的無(wú)擾測(cè)量和全場(chǎng)瞬態(tài)測(cè)量，在流場(chǎng)測(cè)速技術(shù)中占有一定地位。目前PIV技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高湍流度和有旋渦的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，其硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都比較完善[6～11]。

為了研究粗螺紋間隙中流體螺旋流的流動(dòng)規(guī)律，筆者利用PIV技術(shù)對(duì)垂直粗螺紋間隙中不同介質(zhì)的螺旋流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量和分析。用Tecplot軟件對(duì)粗螺紋間隙中螺旋流動(dòng)進(jìn)行流場(chǎng)顯示，并對(duì)粗螺紋間隙中沿螺紋方向進(jìn)行速度提取和渦量場(chǎng)顯示。詳細(xì)分析了不同流量條件下，粗螺紋間隙中不同介質(zhì)螺旋流場(chǎng)特征、速度分布特點(diǎn)和渦量場(chǎng)分布特點(diǎn)，為石化行業(yè)中粗螺紋起旋部件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和條件①

實(shí)驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)選用螺桿泵供液，電磁流量計(jì)測(cè)量流量，變頻器調(diào)節(jié)流量，同時(shí)由差壓變送器測(cè)量壓差并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橥该鞔致菁y體，如圖1所示，將它放置于有機(jī)玻璃圓管中，透明粗螺紋體外徑4.85cm，螺距1cm，螺牙高1cm，螺旋角度15°；有機(jī)玻璃圓管長(zhǎng)100cm，內(nèi)徑5cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)時(shí)，不同介質(zhì)流體從有機(jī)玻璃管的下端進(jìn)入，通過(guò)透明有機(jī)玻璃螺紋。在拍攝過(guò)程中，激光會(huì)在圓弧形模型表面產(chǎn)生反射光。為減少反射光的影響，本實(shí)驗(yàn)在有機(jī)玻璃管外的拍攝區(qū)域安裝了一個(gè)方形玻璃盒，盒中盛滿與被測(cè)液體相同的介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)用PIV系統(tǒng)由Vlite200雙脈沖固體激光器作為照明光源，由SM-CCDB5M16相機(jī)記錄示蹤粒子圖像，并由MicroPulse725型同步控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器、數(shù)字相機(jī)和圖像采集板的控制。激光器系統(tǒng)最大功率為200mJ，CCD相機(jī)可以對(duì)0～1 000m/s速度范圍內(nèi)的流體進(jìn)行測(cè)量，PIV模式最小曝光時(shí)間間隔不高于200ns，采集速率16幀/s，同步控制器的延時(shí)精度0.25ns，TTL電路設(shè)定步長(zhǎng)1ns。PIV系統(tǒng)的測(cè)速精度±1.0%，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

實(shí)驗(yàn)用示蹤粒子為空心玻璃微珠，微珠密度1 050kg/m3，直徑約2μm，示蹤粒子撒布濃度約為6mg/L，跟隨性較好。實(shí)驗(yàn)選用的聚合物溶液是質(zhì)量濃度為400mg/L的聚丙烯酰胺。實(shí)驗(yàn)溫度25℃。

2 粗螺紋間隙螺旋流場(chǎng)瞬時(shí)特征

利用PIV對(duì)垂直粗螺紋間隙中不同介質(zhì)在不同流量條件下的螺旋流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，得到了粗螺紋間隙中螺旋流的流場(chǎng)瞬時(shí)特性。用CCD相機(jī)拍攝了1 000張撒布了示蹤粒子的流體運(yùn)動(dòng)圖像，經(jīng)過(guò)互相關(guān)計(jì)算，并由Tecplot軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到粗螺紋間隙中瞬時(shí)螺旋流場(chǎng)(圖3)，流場(chǎng)中的取值部位如圖4所示。

a. 水

b. 聚合物溶液

圖4 流場(chǎng)中的取值部位

由圖3可知，粗螺紋間隙螺旋流場(chǎng)中，存在明顯的高速區(qū)和低速區(qū)，高速區(qū)主要位于螺紋間隙中央位置，低速區(qū)位于螺紋壁面附近。粗螺紋間隙螺旋流動(dòng)的速度分布呈凸拋物線形，與普通圓管流動(dòng)特征基本一致，流速在高速區(qū)中心位置達(dá)到最大值。流量為2.7m3/s、介質(zhì)為水時(shí)，其速度最高可達(dá)8.3m/s。隨著流量的增加，高速區(qū)面積逐漸減小，且位置逐漸向右下側(cè)偏移，這是由于隨著流量的增大，流體的沿程阻力增加，粘性流體的粘滯作用以及慣性力共同作用造成的。

隨著流量的增大，沿流動(dòng)方向上的速度分布曲線逐漸變陡，高速區(qū)和低速區(qū)的速度也逐漸增大。由于受到螺紋壁面的限制和粘性流體的粘滯作用，靠近螺紋壁面處的流體流動(dòng)速度較小，并逐漸向高速區(qū)過(guò)渡。瞬時(shí)流場(chǎng)結(jié)果顯示，流體介質(zhì)粘度的大小對(duì)粗螺紋間隙螺旋流動(dòng)速度場(chǎng)的影響并不明顯。

3 粗螺紋間隙螺旋流渦量特征

粗螺紋間隙中的螺旋流場(chǎng)存在渦旋運(yùn)動(dòng)。流體的渦量場(chǎng)ω是空間坐標(biāo)x、y、z和時(shí)間坐標(biāo)t的連續(xù)函數(shù)，其值為速度v的旋度rotv，矢量ω構(gòu)成了渦量場(chǎng)[3]，渦量表達(dá)式為：

(1)

PIV技術(shù)首先通過(guò)測(cè)量得到流場(chǎng)中的速度矢量場(chǎng)，再由速度場(chǎng)與渦量場(chǎng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將PIV測(cè)量得到的速度矢量場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到渦量場(chǎng)。通過(guò)PIV測(cè)量得到粗螺紋間隙中的螺旋流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，經(jīng)Tecplot軟件處理，便可以得出粗螺紋間隙中螺旋流的渦量場(chǎng)特性。

3.1粗螺紋間隙螺旋流的渦量場(chǎng)特性

利用PIV對(duì)垂直粗螺紋間隙中不同介質(zhì)(水、400mg/L聚合物溶液)在不同流量條件下的螺旋流動(dòng)進(jìn)行了流場(chǎng)測(cè)量，得到粗螺紋間隙中螺旋流的渦量場(chǎng)特性。利用PIV系統(tǒng)中的CCD相機(jī)拍攝了1 000張撒布著示蹤粒子的螺紋間隙螺旋流的粒子圖像，經(jīng)過(guò)互相關(guān)計(jì)算后得到粒子的渦量場(chǎng)數(shù)據(jù)，并由Tecplot軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到粗螺紋間隙中螺旋流的渦量場(chǎng)，如圖5所示。

圖5 不同流量、不同介質(zhì)條件下粗螺紋間隙中的渦量場(chǎng)

由圖5可知，在不同流量和不同介質(zhì)條件下，渦量場(chǎng)中均存在一組正渦和負(fù)渦，正渦位于螺紋的上壁面附近，負(fù)渦位于螺紋的下壁面附近。流場(chǎng)中存在正渦與負(fù)渦，表明這兩處的渦旋流動(dòng)方向相反。

隨著流量的增大，粗螺紋間隙螺旋流場(chǎng)中正渦與負(fù)渦的渦量強(qiáng)度均增大，且正渦位置逐漸向右下側(cè)移動(dòng)。由于受到螺紋下壁面的限制，負(fù)渦的位置基本不發(fā)生移動(dòng)，但其渦帶長(zhǎng)度和面積均逐漸增大，正渦的面積則未見(jiàn)明顯的變化。渦量場(chǎng)分析結(jié)果顯示，流體介質(zhì)的粘度對(duì)粗螺紋間隙螺旋流動(dòng)渦量場(chǎng)的影響不大。

3.2粗螺紋間隙螺旋流的局部渦量分析

通過(guò)提取粗螺紋間隙螺旋流場(chǎng)中，垂直于流動(dòng)方向上的截面的渦量(圖6)，得到了不同介質(zhì)在不同流量條件下的局部渦量分布曲線，反映了粗螺紋間隙螺旋流場(chǎng)的渦量在流動(dòng)方向上的變化情況，如圖7所示。

圖6 渦量場(chǎng)中的取值部位

由圖7可知，粗螺紋間隙螺旋流的局部渦量呈近似正弦曲線分布。螺紋間隙中，正渦和負(fù)渦之間存在一個(gè)渦量為零的過(guò)渡區(qū)域。隨著流量的增加，正渦和負(fù)渦的渦量均逐漸增大，正渦和負(fù)渦之間的過(guò)渡區(qū)域尺寸逐漸縮小，正渦和負(fù)渦逐漸靠近。介質(zhì)為水、流量為2.7m3/s時(shí)，最大渦量值位于x=57.5mm處，與其他流量條件下最大渦量值相比明顯偏右；而負(fù)渦最大渦量值的位置則沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)。這是由于隨著流量的增加，正渦向右下側(cè)移動(dòng)，而負(fù)渦由于受到螺紋下壁面的限制，未產(chǎn)生位移造成的。

a. 水

b. 聚合物溶液

流量為1.5m3/s時(shí)，介質(zhì)分別為水和聚合物溶液的局部渦量分布曲線相似，且在這兩種情況下，正渦和負(fù)渦之間的過(guò)渡區(qū)域均位于x=57～58mm之間。結(jié)合前文分析結(jié)果可知，流體介質(zhì)的粘度對(duì)本實(shí)驗(yàn)粗螺紋間隙中螺旋流的速度場(chǎng)和渦量場(chǎng)的影響均不明顯。這是由于在流速較大的情況下，流體的慣性力較大、粘性力較小，因此流體的粘度對(duì)粗螺紋間隙中螺旋流的影響較小。

4 結(jié)論

4.1粗螺紋間隙螺旋流場(chǎng)中，高速區(qū)位于螺紋間隙中央位置，低速區(qū)位于高速區(qū)外緣，靠近螺紋壁面處。且螺紋間隙中形成的高速區(qū)對(duì)后續(xù)產(chǎn)生螺旋流的強(qiáng)度有較大影響。由于粘性流體的粘滯作用和慣性力作用，高速區(qū)面積隨流量的增大逐漸減小，且位置逐漸向右下側(cè)移動(dòng)。粗螺紋間隙螺旋流的速度分布大致呈凸拋物線形。隨著流量的增大，高速區(qū)和低速區(qū)的速度均逐漸增大，速度分布曲線逐漸變陡。由于受到螺紋壁面的限制和粘性流體的粘滯作用，靠近螺紋壁面處的流體流動(dòng)速度較小。

4.2渦量場(chǎng)中的正渦與負(fù)渦分別位于螺紋上壁面和下壁面附近，隨著流量的增大，渦量強(qiáng)度也隨之增大，且正渦位置逐漸向右下側(cè)移動(dòng)。由于受到下壁面的限制，負(fù)渦位置基本不發(fā)生移動(dòng)，但渦帶長(zhǎng)度和面積均逐漸增大。垂直于截面上的局部渦量呈近似正弦曲線分布，正渦和負(fù)渦之間的存在一個(gè)渦量為零的過(guò)渡區(qū)域。流體介質(zhì)的粘度對(duì)粗螺紋間隙螺旋流場(chǎng)的影響較小。螺紋間隙中形成的正渦與負(fù)渦，對(duì)后續(xù)螺旋流的形成起著重要作用。

4.3在工程實(shí)際中可以根據(jù)具體情況，通過(guò)適當(dāng)增加粗螺紋的螺距和螺牙高度，來(lái)降低沿程阻力，并在滿足起旋目的同時(shí)也能滿足輸運(yùn)流體的要求。粗螺紋間隙中流體螺旋流動(dòng)特性和流動(dòng)規(guī)律的研究，為石化行業(yè)中粗螺紋起旋部件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1] 王楊君,鄧先和.管內(nèi)間隔插入旋流片的流阻性能研究[J].化學(xué)工程,2007,35(4):14～17.

[2] 畢大鵬,管清亮,玄偉偉,等.旋流在氣流床氣化爐中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程,2015,43(4):45～50.

[3] 王小兵.粒子圖像測(cè)速技術(shù)在石油工程螺旋流中的應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社,2015:21～34.

[4] 王曉飛.管內(nèi)螺旋流的實(shí)驗(yàn)研究與分析[D].武漢:武漢理工大學(xué),2004.

[5] 孫西歡,孫雪嵐,趙運(yùn)革,等.圓管螺旋流局部起旋器與出口段流速分布[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,34(2):122～125.

[6] 許聯(lián)鋒,陳剛,李建中,等.粒子圖像測(cè)速技術(shù)研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2003,33(4):533～540.

[7] 胡海豹,宋保維,阮馳.PIV水下流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J].光子學(xué)報(bào),2007,36(10):1928～1932.

[8] Seiler F,Havermann M,George A,et al.Planar Velocity Visualization in High-speed Wedge Flow Using Doppler Picture Velocimetry(DPV)Compared with Particle Image Velocimetry(PIV)[J].Journal of Visualization,2003,6(3):253～262.

[9] 邵雪明,顏海霞,輔浩明.兩相流PIV粒子圖像處理方法的研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2003,18(4):445～451.

[10] Hashimoto K,Hori A,Hara T,et al.Dual-camera System for High-speed Imaging in Particle Image Velocimetry[J].Journal of Visualization,2012,15(3):193～195.

[11] 王平讓.PIV圖像后處理新方法研究[D].大連:大連理工大學(xué),2004.

(Continued on Page 454)

PIV-basedExperimentalStudyonFluidFlowCharacteristicsinCoarseThreadClearanceofSpiralFlowGenerators

SUN Ran1, ZHAO Hui-jun1, WANG Xiao-bing1, CUI Hai-qing2

(1.CollegeofPetroleumEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,China;2.KeyLaboratoryofEORoftheMinistryofEducation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

The particle image velocimetry (PIV) was adopted to measure different fluid’s flow field in vertical coarse thread clearance. Through making use of Tecplot software, the spiral flow in coarse thread clearance was displayed and the velocity along flow direction was extracted. Having characteristics of instantaneous flow fields, distribution of velocity along flow direction and vorticity field of different fluids at different flow rates in coarse thread clearance analyzed to show that, both high velocity zone and low velocity zone can be seen in the

2016-01-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50674019)

TH815

A

1000-3932(2016)04-0416-06