張 玉 劉 姝 胡雷靜 王振波 齊建濤 孫杰文

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院）

水力旋流器是利用離心力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分離的高效分離設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、運(yùn)行成本低及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于礦物、石化及污水處理等眾多工業(yè)領(lǐng)域。旋流器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部流場(chǎng)相當(dāng)復(fù)雜。分析水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律，掌握旋流器參數(shù)與流場(chǎng)分布之間的關(guān)系［1］，對(duì)廓清旋流器分離機(jī)制、提高旋流器分離性能，具有十分重要的意義。

目前研究水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的主要方法有：理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。其中實(shí)驗(yàn)測(cè)試是最基礎(chǔ)、最可靠的方法。自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，眾多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究。目前常用的激光流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)有：激光多普勒測(cè)速技術(shù)（LDV）、相位多普勒粒子分析儀（PDPA）、粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）、體三維流場(chǎng)測(cè)速系統(tǒng)（V3V）等。筆者對(duì)幾種非接觸式激光流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜述，同時(shí)對(duì)不同激光流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)在水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和介紹，詳細(xì)敘述了不同激光流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)在水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試中的測(cè)試細(xì)節(jié)、測(cè)試內(nèi)容以及各自的優(yōu)勢(shì)和局限，以期對(duì)后續(xù)研究工作提供借鑒與指導(dǎo)。

1 激光流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

1.1 激光多普勒測(cè)速技術(shù)

激光多普勒測(cè)速技術(shù) （Laser Doppler Velocimeter，LDV）是1964年由YEH Y和CUMMINS H Z提出的一種流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)［2］。LDV系統(tǒng)主要由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成，基本工作原理［3］如圖1所示，在被測(cè)流場(chǎng)當(dāng)中布撒一定濃度的示蹤粒子，利用示蹤粒子對(duì)入射激光的散射作用，通過(guò)光電探測(cè)器測(cè)量此散射光的多普勒頻移信號(hào)，此信號(hào)與示蹤粒子的速度存在線(xiàn)性關(guān)系，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后即可得到粒子的速度。

圖1 LDV測(cè)試原理

1.2 相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀

相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀 （Phase Doppler Particle Analyzer，PDPA）是在LDV基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其測(cè)速原理與LDV相同［4］。PDPA技術(shù)利用粒子對(duì)干涉條紋散射時(shí)產(chǎn)生間隔發(fā)生變化的折射或反射信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理，獲得粒子速度和粒徑大小。PDPA技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)兩相流體中粒子的速度、粒徑和濃度的測(cè)量。

1.3 粒子圖像測(cè)速技術(shù)

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV）是ADRIAN R J于1984年提出的一種非接觸式激光測(cè)量技術(shù)［5］。粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)各部分組成如圖2所示［6］，主要包括：圖像采集系統(tǒng)（CCD相機(jī)）、光源照明系統(tǒng)（雙脈沖激光器、光導(dǎo)臂、激光頭）、同步器、計(jì)算機(jī)及圖像后處理軟件等。

圖2 PIV系統(tǒng)各部分示意圖

1.3.1 二維粒子圖像測(cè)速技術(shù)（2D PIV）

最初的PIV技術(shù)用于平面二維瞬態(tài)流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量。如圖3所示［7］，2D PIV技術(shù)主要利用示蹤粒子在流場(chǎng)中良好的跟隨特性，在被測(cè)流場(chǎng)當(dāng)中均勻地布撒一定濃度的示蹤粒子，雙脈沖激光器在時(shí)間上先后發(fā)出的兩束激光在光路中重合，通過(guò)片光源呈現(xiàn)器形成一個(gè)片狀光源，照亮流場(chǎng)當(dāng)中的示蹤粒子，在很短的時(shí)間間隔Δt內(nèi)，CCD相機(jī)采集到兩張相關(guān)的示蹤粒子圖像，通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算和圖像后處理確定示蹤粒子在Δt內(nèi)的位移，通過(guò)計(jì)算得到粒子的速度，最后進(jìn)行批量處理，以獲得整個(gè)拍攝流場(chǎng)區(qū)域的速度分布矢量圖。

圖3 PIV測(cè)試原理

1.3.2 三維粒子圖像測(cè)速技術(shù)（3D PIV）

隨著對(duì)精細(xì)流場(chǎng)信息需求的不斷增長(zhǎng)和相機(jī)成像技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖像解析技術(shù)的快速發(fā)展，PIV技術(shù)由二維發(fā)展到三維［8］。三維PIV分為層析PIV （Tomographic PIV，Tomo-PIV）、立 體PIV（Stereoscopic PIV，SPIV）、全 息PIV（Holography PIV，HPIV）等。由于光源對(duì)流場(chǎng)的照明方式不同，現(xiàn)有的3D PIV技術(shù)可分為兩大類(lèi)：一是使用片光對(duì)被測(cè)平面進(jìn)行照明，獲得被測(cè)面的二維速度分量，后通過(guò)計(jì)算得到第3個(gè)速度分量，這種方式本質(zhì)上仍屬于2D PIV，如SPIV；另一種是使用體光源照明，測(cè)量被測(cè)體空間的三維速度，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全場(chǎng)三維PIV，如Tomo-PIV、HPIV等。

1.3.2.1 立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)

與二維粒子圖像測(cè)速技術(shù)相同，立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Stereoscopic PIV，SPIV）仍采用片光照明。SPIV 技術(shù)是在傳統(tǒng)2D PIV基礎(chǔ)上增加一臺(tái)CCD 相機(jī)，利用兩臺(tái)相機(jī)從不同視角同步拍攝被測(cè)平面的示蹤粒子圖像［9］，根據(jù)互相關(guān)算法分別計(jì)算得到兩個(gè)二維速度場(chǎng)，再根據(jù)這兩個(gè)二維速度場(chǎng)重構(gòu)出面內(nèi)及面外共3個(gè)速度分量，實(shí)現(xiàn)了平面三維流場(chǎng)瞬態(tài)測(cè)量。如圖4所示，SPIV系統(tǒng)常用的兩種相機(jī)布置方式為相機(jī)同側(cè)法和相機(jī)異側(cè)法。目前SPIV技術(shù)多應(yīng)用于船舶尾流場(chǎng)測(cè)試［10～13］、壁面湍流［14，15］等方面。

圖4 SPIV系統(tǒng)的兩種相機(jī)布置方式

1.3.2.2 全息粒子圖像測(cè)速技術(shù)

全息粒子圖像測(cè)速技術(shù) （Holography PIV，HPIV）是將全息技術(shù)與PIV相結(jié)合得到的一種真正意義上的三維流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)。早期的HPIV技術(shù)采用傳統(tǒng)全息干板和底片，需要進(jìn)行化學(xué)濕處理和光路再現(xiàn)，實(shí)際操作非常復(fù)雜且誤差較大，隨著數(shù)字全息粒子圖像測(cè)速技術(shù)出現(xiàn)才得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字全息PIV（DHPIV）測(cè)速原理如圖5所示，數(shù)字全息PIV技術(shù)是用CCD芯片來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全息膠片或干板，將全息干涉條紋直接記錄在CCD芯片上，同時(shí)全息圖像的再現(xiàn)不需要光路再現(xiàn)，而是通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)［16］，從而實(shí)現(xiàn)空間流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量。數(shù)字全息PIV技術(shù)已成功應(yīng)用于燃燒火焰流場(chǎng)測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧、汽車(chē)空氣動(dòng)力流場(chǎng)等方面［17］。

1.3.2.3 層析粒子圖像測(cè)速技術(shù)

層析粒子圖像測(cè)速技術(shù) （Tomographic PIV，Tomo-PIV）是將PIV技術(shù)和醫(yī)學(xué)上的CT重構(gòu)技術(shù)結(jié)合得到的一種三維粒子圖像測(cè)速技術(shù)［18］，能實(shí)現(xiàn)體空間流場(chǎng)的全場(chǎng)定量測(cè)量，其原理如圖6所示［19］。Tomo-PIV采用體光源照射，利用多臺(tái)相機(jī)（通常為3～6臺(tái)相機(jī)）記錄不同視角下被測(cè)流場(chǎng)的示蹤粒子圖像，再通過(guò)光學(xué)層析成像算法由二維圖像重構(gòu)出三維示蹤粒子場(chǎng)，然后利用三維互相關(guān)算法得到體空間的三維速度矢量場(chǎng)［20］。Tomo-PIV目前多應(yīng)用于測(cè)量尾流流動(dòng)［21～23］、湍流邊界層［24～26］以及射流［27～29］等方面。

1.4 體三維速度場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

體三維速度場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng) （Volumetric 3-component Velocimetry measurement system，V3V）是在PEREIRA F［30］工作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它結(jié)合了散焦技術(shù)和PIV技術(shù)。如圖7所示［31］，V3V采用獨(dú)立的3D相機(jī)同時(shí)從3個(gè)不同視角記錄示蹤粒子圖像［32］，相機(jī)內(nèi)的3個(gè)傳感器排列在一個(gè)共面三角形內(nèi)，通過(guò)模式搜索算法直接從拍攝到的圖像中提取粒子的三維位置［33］，利用針孔成像原理分析三角形，從而得到粒子的空間位置的速度矢量［34］。V3V技術(shù)已成功應(yīng)用于測(cè)量渦輪槳攪拌槽內(nèi)湍流場(chǎng)［34，35］、泵管道流場(chǎng)［36～38］、平面斜坡湍流場(chǎng)［39～41］等方面。

圖7 V3V測(cè)試原理示意圖

將以上所述7種激光流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì) 比列于表1。

表1 激光流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)對(duì)比

2 流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)在水力旋流器中應(yīng)用

水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)研究可追溯到20世紀(jì)50年代，KELSALL D F借助顯微鏡光學(xué)測(cè)量首次得到了水力旋流器的速度場(chǎng)分布［42］。20世紀(jì)80年代以后，隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，激光非接觸式流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試中。

2.1 LDV技術(shù)在水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用

早期學(xué)者多借助二維LDV技術(shù)測(cè)量水力旋流器的流場(chǎng)，水力旋流器模型采用透明的有機(jī)玻璃加工制作而成，以便于激光測(cè)試，試驗(yàn)介質(zhì)多為清水，測(cè)試過(guò)程中常用的示蹤粒子有滑石粉、Al2O3粉末、聚苯乙烯顆粒等。

采用LDV技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試時(shí)，旋流器柱錐段的彎曲壁面會(huì)對(duì)激光束產(chǎn)生折射和反射，影響測(cè)試結(jié)果。為減小測(cè)量誤差，多在旋流器模型外加設(shè)光路補(bǔ)償盒（多為有機(jī)玻璃材質(zhì)）并充滿(mǎn)與旋流器內(nèi)相同液體進(jìn)行光路補(bǔ)償［43］。此外，任相軍采用含有一定濃度甘油的水作為補(bǔ)償液，將補(bǔ)償液的折射率配至接近有機(jī)玻璃的折射率以提高測(cè)量精度［44］；MARINS L P M等為了減小光束反射和折射的影響，將水力旋流器的外壁制成平面［45］；BAI Z S等在激光束入射位置設(shè)置直徑為5 mm的孔口，孔口處固定光學(xué)玻璃，光學(xué)玻璃具有較低的折射率和平面表面，可以有效地避免曲面對(duì)測(cè)試的影響［3］。

LDV測(cè)量精度為±0.5%，精度相對(duì)較高，樣本數(shù)也較高，可以達(dá)到每點(diǎn)1 000～3 000采樣數(shù)［32］。借助LDV可以較準(zhǔn)確地測(cè)得水力旋流器不同操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)下的軸向、切向時(shí)均速度分布及軸向、切向湍流強(qiáng)度時(shí)均分布等。但由于LDV屬于單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量過(guò)程工作量大且費(fèi)時(shí)，故一般假設(shè)旋流器流場(chǎng)為軸對(duì)稱(chēng)分布，試驗(yàn)時(shí)只測(cè)量旋流器一半的流場(chǎng)，或選取特殊截面進(jìn)行全直徑范圍的測(cè)量，對(duì)流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行驗(yàn)證；同時(shí)由于徑向速度分量較小，且測(cè)試時(shí)光路布置比較困難，僅較少學(xué)者進(jìn)行了徑向速度的測(cè)量。

2.2 PDPA技術(shù)在水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用

借助LDV技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)旋流器的單相水流場(chǎng)測(cè)量，而PDPA作為L(zhǎng)DV的擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)兩相流場(chǎng)的測(cè)量，因此PDPA在旋流器流場(chǎng)測(cè)試中得到了廣泛應(yīng)用。

借助PDPA技術(shù)測(cè)試旋流器流場(chǎng)時(shí)，一般采用有機(jī)玻璃制作旋流器模型，同時(shí)為了消除曲率對(duì)激光測(cè)量的影響，需要在旋流器被測(cè)截面壁面處加工直徑5 mm的小孔，固定石英玻璃作為激光透射視窗，以便在垂直平面上進(jìn)行測(cè)量。且為進(jìn)一步減小激光束在旋流器曲面上的光學(xué)折射，可以在旋流器接收光線(xiàn)側(cè)加設(shè)光學(xué)補(bǔ)償盒。

在PDPA測(cè)試時(shí)，常使用空心玻璃微球作為示蹤粒子，其既能滿(mǎn)足PDPA測(cè)試中分散相粒子對(duì)光的反射效果，又滿(mǎn)足密度、粒度分布和粘度的一致性要求［46］。PDPA屬于單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量時(shí)在被測(cè)截面處距離邊壁0.5 mm至軸心每隔一定間距左右逐點(diǎn)測(cè)量［47］。

與LDV、PIV等相比，PDPA最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水力旋流器中固液、液液、氣液等兩相流場(chǎng)的測(cè)量，同時(shí)能夠測(cè)得粒子的粒徑和濃度。借助PDPA技術(shù)，可以測(cè)得不同操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下旋流器連續(xù)相和分散相的軸向和切向時(shí)均速度分布，軸向、切向湍流強(qiáng)度及固體顆粒的平均粒徑分布、濃度分布等。借助PDPA進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試時(shí)，由于徑向速度與入射光方向重合，無(wú)法精確識(shí)別測(cè)試點(diǎn)處的徑向速度頻移，導(dǎo)致徑向速度測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)［48］；同時(shí)PDPA也屬于單點(diǎn)測(cè)量，一般僅測(cè)量旋流器一半的流場(chǎng)，且在近壁面和空氣柱附近無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

2.3 PIV技術(shù)在水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用

LDV和PDPA技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量，無(wú)法獲得流場(chǎng)瞬態(tài)信息，隨著粒子圖像技術(shù)的發(fā)展，PIV技術(shù)突破了單點(diǎn)測(cè)量的局限性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量。目前二維粒子圖像測(cè)速技術(shù)和立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)已成功應(yīng)用于水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試中。

利用PIV技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試時(shí)，常采用石英玻璃或有機(jī)玻璃制作旋流器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中，石英玻璃透光率高、折射率低，而有機(jī)玻璃可加工性能更好，但折射率高、透光性較差。因此當(dāng)被測(cè)旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且承壓不高時(shí)，優(yōu)先選用石英玻璃制作水力旋流器模型。PIV流場(chǎng)測(cè)試中常用的示蹤粒子有空心玻璃微珠、聚苯乙烯、聚酰胺晶種粒子、熒光示蹤粒子等。

目前僅借助PIV對(duì)水力旋流器進(jìn)行單相流場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)多為清水或蒸餾水，油相會(huì)阻擋激光光源照射示蹤粒子，故無(wú)法添加至試驗(yàn)介質(zhì)中［49］。在PIV測(cè)試過(guò)程中，同樣存在壁面曲率問(wèn)題，可以通過(guò)加設(shè)光學(xué)補(bǔ)償盒并裝滿(mǎn)與被測(cè)介質(zhì)相同的液體進(jìn)行光路補(bǔ)償。KE R等為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，采用折射率匹配方法，采用與旋流器壁面（有機(jī)玻璃）相同折射率的63.3wt%的碘化鈉溶液作為工作流體，解決了旋流器彎曲壁面的光折射和反射問(wèn)題［50］。雖然折射率匹配方法能夠很好的提高測(cè)量精度，但折射率匹配方法難度很大，需要大量的時(shí)間和物質(zhì)成本。

采用PIV技術(shù)進(jìn)行旋流器流場(chǎng)測(cè)試的另一大難點(diǎn)是旋流器中心存在空氣柱，空氣柱反射的激光會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞CCD相機(jī)。為解決空氣柱和氣泡反光問(wèn)題，KE R等在進(jìn)料罐中加入過(guò)濾纖維排除氣泡［50］；王小兵等選用散射度大的示蹤粒子，降低激光器的激發(fā)電壓，并適當(dāng)減小CCD相機(jī)鏡頭的光圈數(shù)［51］；許妍霞等在試驗(yàn)過(guò)程中將空氣柱進(jìn)行遮擋［43］；SONG T等將底流通過(guò)管段連接到水下，避免空氣柱的形成［52］；汪威在光路補(bǔ)償盒相應(yīng)部分張貼深色吸光材料［53］。而目前使用較多的方法為采用羅丹明-B染色的三聚氰胺樹(shù)脂微球作為示蹤粒子，此熒光示蹤粒子在受到532 nm的綠光照射時(shí)，會(huì)發(fā)射580 nm的紅光，同時(shí)在CCD相機(jī)鏡頭前安裝540 nm高通濾光片，將532 nm的綠光濾去，則可以獲得580 nm的粒子散射圖像。通過(guò)這個(gè)處理，可以濾去背景光、空氣柱反射光及氣泡反射光等，使得CCD相機(jī)僅捕捉到熒光粒子的散射光并成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)流場(chǎng)的精準(zhǔn)拍攝。

采用2D PIV技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試時(shí)，由于2D PIV是對(duì)平面進(jìn)行測(cè)量，而旋流器內(nèi)部為三維速度場(chǎng)，測(cè)量平面外的速度會(huì)對(duì)面內(nèi)的速度產(chǎn)生影響。如測(cè)量旋流器中軸面的軸向速度和徑向速度時(shí)，切向速度會(huì)對(duì)軸向和徑向速度測(cè)量帶來(lái)誤差，LIU Z L等提出了一種校正方法可以有效地消除切向速度對(duì)軸向速度測(cè)量結(jié)果的影響，但對(duì)徑向速度的影響難以消除［54］。

PIV技術(shù)測(cè)試精度為±0.1%，利用PIV可以測(cè)得不同操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)下旋流器的切向速度、軸向速度和徑向速度分布，零軸向速度包絡(luò)面（LZVV），渦量分布，流線(xiàn)分布，雷諾切應(yīng)力分布，湍流強(qiáng)度等，且利用CCD相機(jī)（高速攝像）可以研究旋流器空氣柱的形成過(guò)程。

2.4 V3V技術(shù)在水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用

2D PIV和SPIV本質(zhì)上仍屬于平面測(cè)量，而水力旋流器內(nèi)部為三維旋轉(zhuǎn)湍流場(chǎng)，需借助三維測(cè)量技術(shù)進(jìn)行旋流器內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量，但由于實(shí)驗(yàn)成本和難度限制，相關(guān)研究較少。目前僅王劍剛借助V3V進(jìn)行了水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試［32］。水力旋流器壁面曲率問(wèn)題給V3V測(cè)試帶來(lái)很大的難度。對(duì)于LDV、PDPA和PIV測(cè)試來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題會(huì)使測(cè)試結(jié)果存在誤差。而對(duì)于V3V來(lái)說(shuō)，由于其景深較大，光信號(hào)更弱，顆粒重疊性高，圖像對(duì)比度更差，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重失真，因此借助V3V進(jìn)行旋流器流場(chǎng)測(cè)試難度更大。王劍剛最初使用去離子水作為試驗(yàn)介質(zhì)，但由于折射率差距和壁面曲率的影響，得到的速度矢量識(shí)別個(gè)數(shù)很低，無(wú)法得到測(cè)試結(jié)果，因此進(jìn)行了大量折射率匹配實(shí)驗(yàn)，最終選擇53wt%的碘化鈉水溶液作為試驗(yàn)中的折射率匹配液，其折射率和旋流器壁面（石英玻璃）的折射率一致，均為1.47，可以很好地消除壁面曲率對(duì)測(cè)試的影響。同時(shí)采用由羅丹明-B染色的示蹤微球作為示蹤粒子，在CCD相機(jī)前安裝高通濾光片來(lái)避免反光和空氣柱對(duì)試驗(yàn)的影響。最終通過(guò)試驗(yàn)得到了35 mm水力旋流器的三維速度分布、三維零軸速包絡(luò)面，借助三維軸向速度進(jìn)行了短路流流量計(jì)算，并提出了循環(huán)流流量的計(jì)算模型。同時(shí)通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均法改善了V3V測(cè)量的空間分辨率，發(fā)現(xiàn)誤差小于5%，但對(duì)于徑向匯流速度，短路流流量和循環(huán)流流量的準(zhǔn)確計(jì)算，需要進(jìn)一步提高空間分辨率和測(cè)試精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

水力旋流器內(nèi)部為復(fù)雜的三維旋流場(chǎng)，包括內(nèi)旋流、外旋流、短路流、循環(huán)流和空氣柱等多種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。借助激光測(cè)試技術(shù)研究操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水力旋流器流場(chǎng)的影響，對(duì)進(jìn)一步了解旋流器分離機(jī)制，提高水力旋流器的分離性能具有重要意義。目前常用的水力旋流器流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，如激光多普勒測(cè)速技術(shù)（LDV）、相位多普勒動(dòng)態(tài)分析儀 （PDPA）、二維粒子圖像測(cè)速技術(shù)（2D PIV）和立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)（SPIV），主要局限于單點(diǎn)或平面測(cè)量，雖然不同的測(cè)試技術(shù)均有各自的側(cè)重和優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于水力旋流器內(nèi)部的三維速度場(chǎng)、短路流和循環(huán)流等三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究而言，這些方法仍存在較大的局限性。隨著激光流場(chǎng)測(cè)速技術(shù)的發(fā)展，特別是層析粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Tomo-PIV）、體三維速度場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)（V3V）等瞬時(shí)、全場(chǎng)體三維測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為水力旋流器內(nèi)流場(chǎng)的進(jìn)一步精準(zhǔn)測(cè)量和研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。