徐新建， 胡光忠， 鄒 亮， 趙 云， 紀(jì)博凱

(四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

0 引 言

在風(fēng)沙二相流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，雷諾數(shù)都比較大，一般都大于4 000，流體很容易發(fā)生湍流[1],所以氣固二相流固相顆粒播撒技術(shù)直接影響風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的正確性。因?yàn)轱L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要想正確模擬空曠地區(qū)組合工況下流場(chǎng)情況，首先必須能有像空曠地區(qū)相似穩(wěn)定的流場(chǎng)[2]。但是,由于實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞不可能無(wú)限大，只能選擇一個(gè)正確的尺寸來(lái)近似的模擬空曠田野下組合工況的流場(chǎng)情況[3]。因此設(shè)備的粗糙度、氣固二相流固相顆粒的進(jìn)入方式、風(fēng)沙二相流固相顆粒的進(jìn)入方式等都會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生巨大的影響，所以風(fēng)沙二相流實(shí)驗(yàn)室就必須保證固相顆粒能以正確的方式進(jìn)入風(fēng)洞流道，最重要的是不會(huì)因?yàn)闅夤潭嗔鞴滔囝w?；蚬滔囝w粒進(jìn)入干擾流場(chǎng)變化情況。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),簡(jiǎn)單的播撒會(huì)對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)產(chǎn)生致命的影響，導(dǎo)致流場(chǎng)極度紊亂，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果變得不可靠[4],所以必須設(shè)計(jì)一種可靠的氣固二相流固相顆粒播撒裝置及播撒方法在保證氣固二相流固相顆粒均勻的進(jìn)入風(fēng)洞的前提下同時(shí)減小對(duì)流場(chǎng)的影響，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合工程實(shí)際要求[5]。

本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)沙二相流風(fēng)洞可用的固相顆粒播撒裝置,以流體力學(xué)為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬的方法確認(rèn)該設(shè)備用于固相顆粒播撒的可行性[6-8],為氣固二相流固相顆粒播撒裝置的制作提供保證。

1 固相流道

送沙流道作為固相顆粒播撒裝置的一部分起著重要的作用，它一方面可以作為固相顆粒進(jìn)入播撒裝置主體的連接部分;另一方面可以控制顆粒進(jìn)入裝置主體的固相顆粒的量，滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)不同固相濃度等級(jí)的要求[9]。

流道的數(shù)值仿真主要目的是確定在閥芯與固相顆粒的進(jìn)入量的關(guān)系，以確定閥芯的開度與固相的進(jìn)入量是否有較好的線性關(guān)系(見圖1)。

圖1 流道及固相控制閥

從圖2可以看出,隨著閥芯開度的增加,固相顆粒的流量也在不斷地增加。從折線圖的曲率可以看出，開度在5～40 mm隨著開度的增加，流量與開度的關(guān)系近似直線關(guān)系，表明閥門與固相的流量有比較好的線性關(guān)系，有助于更簡(jiǎn)單方便地控制固相流量來(lái)滿足風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)固相濃度大小的要求。

圖2 固相顆粒流量隨閥芯開度變化曲線

2 混合裝置

混合裝置的工作過程是固相顆粒通過固相流道在流量控制閥的控制下流入混合裝置，同時(shí)高壓空氣通過壓力氣體入口進(jìn)入混合裝置。在混合裝置內(nèi)高壓空氣與流入的固相顆粒相遇，高壓氣體沖擊帶動(dòng)固相顆粒與空氣混合并通過混合出口流出，為風(fēng)沙二相流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置提供可利用的混合氣體(見圖3)。

圖3 混合裝置

二相流數(shù)值模擬如圖4所示[10-12]，由固相顆粒速度云圖可以看出，0.05 s時(shí)在高壓氣體和固相顆粒本身速度的共同作用下沙粒首先沿著右側(cè)壁流速加快，然后隨著時(shí)間推移，由于沙粒對(duì)高壓氣體流速的消耗右側(cè)壁風(fēng)速變小，而左側(cè)壁流速反而加快。

結(jié)合固相顆粒速度云圖分析固相顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖(見圖5)，在0.05 s時(shí)，固相顆粒剛剛流入混合裝置。固相顆粒只有一少部分隨著高壓氣體向上流動(dòng)所以呈現(xiàn)出右側(cè)固相顆粒流速較大，左側(cè)固相顆粒濃度較大的現(xiàn)象。在0.1 s時(shí)固相顆粒進(jìn)一步向混合裝置中流動(dòng)并進(jìn)一步與空氣混合，此時(shí)混合氣體之間因?yàn)槟芰總鬟f固相顆粒速度加快，氣相速度減小，固相的跟隨性增強(qiáng)，因此就出現(xiàn)了混合裝置右側(cè)壁附近固相濃度較大速度較小。同時(shí),由于固相顆粒流動(dòng)的初始動(dòng)能的緣故,左側(cè)壁固相顆粒流速較大濃度較小出現(xiàn)與右側(cè)壁相反的結(jié)果。然后隨著時(shí)間的推移，0.1 s之后固相顆粒隨著高壓空氣向上流動(dòng)。再?gòu)?.25～0.75 s隨著時(shí)間的推移固相顆粒在流出混合裝置的過程中固相顆粒的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)逐漸穩(wěn)定。在固相顆粒初始動(dòng)能與高壓氣體的共同作用下，固相顆粒被高壓氣體吹出混合裝置。

實(shí)際應(yīng)用時(shí),希望該裝置能為風(fēng)洞試驗(yàn)提供在空氣中穩(wěn)定散播的固相顆粒[13]。通過圖5固相顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖的0.25～0.75 s可以看到，固相顆粒在高壓空氣的作用下成股狀被吹出了氣固二相流固相顆?；旌涎b置。吹出后，固相顆粒逐漸向周圍散播，其濃度逐漸變小，最后幾乎與周圍空氣中固相顆粒的濃度相似。這就滿足風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)固相顆粒的要求，既濃度分布較均勻，且分布區(qū)穩(wěn)定的要求。

0.05s0.1s0.15s0.2s

0.25s0.35s0.75s

圖4 固相顆粒速度云圖

0.25s0.3s0.35s0.75s

圖5 固相顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖

3 設(shè) 備

固相顆粒播撒裝置的工作過程是，固相顆粒經(jīng)漏斗流入流道。流道內(nèi)有控制固相顆粒流量的閥芯，經(jīng)調(diào)節(jié)流量后的固相顆粒通過流道后進(jìn)入混合裝置。同時(shí)高壓氣體經(jīng)高壓入口進(jìn)入混合裝置。在混合裝置中，高壓氣體與固相顆粒相遇，固相顆粒在高壓氣體的作用下隨著高壓氣體飛出混合裝置進(jìn)入環(huán)境中,為氣固二相流固相顆粒風(fēng)洞提供實(shí)驗(yàn)混合氣體。

圖6 氣固二相流固相顆粒播撒裝置

因?yàn)榇嬖陂y芯的調(diào)節(jié)作用進(jìn)入混合裝置的固相顆粒的量是可控的，所以混合氣體中固相顆粒的濃度是可調(diào)節(jié)的，這就滿足了氣固二相流固相顆粒對(duì)不同濃度混合氣體的要求[14]。

4 結(jié) 語(yǔ)

固相顆粒在氣固混合氣體中的濃度可控，滿足風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)氣固二相流中固相顆粒不同濃度等級(jí)的要求。

氣固二相流固相顆粒播撒裝置所產(chǎn)生的混合氣體流場(chǎng)穩(wěn)定，且濃度較均勻，符合風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)氣固二相混合氣體的要求，可以作為氣固二相流固相顆粒的播撒裝置。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 榮 臻,陳 方,劉 洪, 等. 超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2012, 26(2):64-67.

[2] 倪晉仁, 吳世亮, 李振山. 風(fēng)沙流中顆粒運(yùn)動(dòng)參數(shù)的分布特征[J]. 泥沙研究, 2003(4):8-13.

[3] 張 寧. 風(fēng)沙在防風(fēng)網(wǎng)遮護(hù)區(qū)的躍移運(yùn)動(dòng)可視化觀測(cè)[D]. 大連:大連理工大學(xué), 2011.

[4] 董治寶. 中國(guó)風(fēng)沙物理研究50年(Ⅰ)[J]. 中國(guó)沙漠, 2005, 25(3):293-305.

[5] Alkislar M, Choutapalli I, Krothapalli A,etal. The structure of a pulsed Jet-A PIV study[C]// Aiaa Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2006.

[6] Scarano F. Overview of PIV in supersonic flows[C]// Particle Image Velocimetry. Springer Berlin Heidelberg, 2008:445-463.

[7] 榮 臻, 陳 方, 劉 洪,等. 超聲速PIV示蹤粒子布撒技術(shù)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2012, 26(2):64-67.

[8] 周曉斯,張 洋,王 元,等. 近床面風(fēng)沙輸移風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測(cè)量研究進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2017, 35(3):43-50.

[9] 陳細(xì)軍. 汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性風(fēng)洞試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙:湖南大學(xué), 2009.

[10] 楊 可, 蔣衛(wèi)民, 熊 健,等. 飛翼模型高速風(fēng)洞PIV試驗(yàn)研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 33(3):313-318.

[11] Xiong H B, Yu W G, Chen D W,etal. Numerical study on the aerodynamic performance and safe running of high-speed trains in sandstorms[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(A卷英文版), 2011, 12(12):971-978.

[12] 李 田, 張繼業(yè), 張衛(wèi)華. 沙塵暴環(huán)境下的高速列車運(yùn)行安全分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版), 2012(s2):5-8.

[13] 王新元. PIV布撒技術(shù)在高速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的改進(jìn)與應(yīng)用[D]. 上海:上海交通大學(xué), 2015.

[14] 隋秀香. 石油工程專業(yè)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的新模式探討[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2012, 31(11):111-113.