应用粒子成像测速技术测量压力振荡器的瞬态流场

收稿日期: 1999211203 作者简介:姬忠礼( 1963- ) , 男(汉族) , 山东汶上人, 副教授, 硕士,现从事高温气固分离技术与设备研究。 文章编号: 100025870(2000) 0320076203 应用粒子成像测速技术测量压力振荡器的瞬态流场 姬 忠 礼 (石油大学机电工程系, 北京 102200) 摘要:利用以两台大功率脉冲激光器为双脉冲光源的粒子成像测速(P IV)技术,测定了驻波管型正弦压力振荡 器二维振荡射流瞬态流场,对示踪粒子的跟随性进行了比较, 分析了示踪粒子在流场中的浓度分布对成像质量的 影响。实验结果表明, 环形喷嘴射流与尖劈之间存在交错的、方向相反的旋涡是使整个系统产生流体自激振荡的 原因,环形喷嘴与尖劈之间的距离对瞬态流场有明显的影响。由双脉冲激光作光源的 PIV系统具有脉冲间隔调节 范围宽、测量精度高等特点, 非常适合于从低速到高速全范围的流场测量。 关键词:粒子成像测速;压力振荡器;瞬态流场;双脉冲光源 中图分类号: O 353. 5 文献标识码: A 引 言 传统的单点测速技术如热线风速仪、激光多谱 勒测速仪, 虽然具有极好的时间分辨率和空间分辨 率,但难以满足瞬态流动全场速度测量的需要。近 年来发展起来的粒子成像测速( PIV)技术突破了单 点测试技术和定性流场显示技术的局限性, 可在同 一时刻测量整个空间的速度场信息,能提供流体的 空间流动情况[ 1, 2]。近年来, 国外已在用 PIV 技术 进行高速空气分离流动测量方面取得了较大进 展[3, 4]。本文拟采用高能量双脉冲激光光源测量由 驻波管型压力振荡器产生的振荡射流流场, 并分析 结构参数对流场的影响。 1 实验装置 实验用驻波管型压力发生器结构如图 1 所示, 它由谐振管和环形喷嘴组成, 驻波管内径为 33 mm,有效长度 L 为 450 mm。高压空气进入驻波管 式压力振荡器的环形喷嘴后产生高速环形射流, 并 与驻波管开口端的尖劈形成扰动源, 当扰动源的频 率与驻波管的固有频率相等时就会在管内形成驻 波, 而环形喷嘴附近的流场则为二维振荡射流流 场。调整谐振腔的长度, 可改变振荡流场的基频。 当驻波管的长度一定时, 可通过调节环形喷嘴与驻 波管尖沿之间的距离 h 来改变扰动源的频率, 并使 其与驻波管的频率相等而发生谐振, h 调节范围为 0. 5~ 15 mm。 图 1 驻波管型压力发生器 PIV 测量原理如图 2所示。利用由两台大功率 脉冲激光器组成的双脉冲光源照射所测流场区域, 通过照相机摄取两次脉冲的粒子图像, 并形成 PIV 底片,然后利用 PIV 软件对底片进行图像处理即可 得到速度矢量图和涡量图。 实验所用光源为美国光谱物理公司的 Nd: YAG双脉冲激光器,每个激光器的输出能量为 650 mJ, 经倍频器变为波长 532 nm的绿光,其脉冲宽度 为 6~ 7 ns, 每个脉冲的能量可达 280 mJ, 脉冲间 隔可在 1 Ls~ 0. 1 s范围内调节。同时, 激光器也可 发射频率为 10 Hz的连续双脉冲光,利用圆柱体透 镜将其变为片光源, 光源厚度为 1. 5 mm。用配有 微距镜头的单镜头反射式相机及乐凯 400号黑白胶 卷拍摄。 2000 年 第 24 卷 石油大学学报(自然科学版) Vol. 24 No. 3 第 3 期 Journal of the University of Petroleum, China Jun. 2000 图 2 PIV测量原理 2 实验方法 2. 1 流场结构的定性显示 为了定性地了解所测流场的流动结构和旋涡形 状,首先进行流场显示实验。利用中位粒径为 1~ 2 Lm的高浓度 FCC催化剂作为示踪粒子, 使激光器 产生频率为 10 Hz的单脉冲光,从中可以清楚地观 察到旋涡的形状。图 3给出了拍摄到的粒子成像照 片,由此可以定性确定出流场的范围和一些较大的 旋涡。 图 3 粒子成像照片 2. 2 示踪粒子的选择 由于所测定的流场速度变化大, 示踪粒子的比 重、粒径、表面反射系数和浓度是影响测量精度的重 要因素。实验中采用三种示踪粒子,皆可得到较为 清晰的粒子图像: ¹ 塑料粉:中位粒径为 32 Lm, 密 度 960 kg/ m3; º 325 目滑石粉,中位粒径为 10 Lm, 密度为 2 750 kg/ m3; » FCC催化剂, 中位粒径为 5 Lm, 密度为 1600 kg/ m3。 由分析结果可知, 中位粒径为 5 Lm的 FCC催 化剂的跟随性最好,但由于 FCC催化剂易吸附在尖 劈上,而影响整个流场的成像质量,所以在下面的实 验中均选用 325目滑石粉作为示踪粒子。对于所测 定的流场,喷嘴与尖劈间的流场速度高、区域小, 而 尖劈附近的流场速度低、区域大。因此,在实验时利 用双脉冲激光器产生的频率为 10 Hz的脉冲光来观 察流场中示踪粒子的浓度分布, 以选择合适的示踪 粒子浓度。 2. 3 速度场的求解 两次曝光所得到的 PIV 照片存在速度方向二 义性问题。在实验中, 采用两次脉冲激光的能量来 区分两次曝光,其激光能量分配为 2B1,第一次曝光 时的粒子像斑大,第二次曝光时的粒子像斑小。在 PIP1024B图像卡上, 应用石油大学编制的 PIV 软 件对 PIV照片进行处理。在软件中首先对图像进 行数字滤波,以提高图像的对比度,增强粒子像轮廓 的清晰度。依据粒子匹配所得的速度场插值得到速 度矢量场,采用中心差分法计算出涡量场。 2. 4 实验误差 当流场振荡频率低时, 两个激光脉冲之间的时 间间隔远远小于流场振荡周期, 所测定的流场为瞬 态场。随着流场振荡频率的增加, 使得两个激光脉 冲之间的时间间隔与流场振荡周期为同一量级时, 所测的流场与实际的瞬态场之间就会产生较大的误 差。此外,由于在实验中所用的示踪粒子并非均一 粒径,直径大的粒子跟随性差, 也会产生较大的误 差。 3 实验结果及分析 图 4给出了 h为 4. 5 mm及环形喷嘴平均速度 为 15 m/ s时测得的速度矢量场和涡量场。从图 4 中可看出,环形喷嘴射流与尖劈之间存在交错的、方 向相反的旋涡, 且在向尖劈运动过程中逐渐变大。 当旋涡运动到尖劈顶点时, 就会在尖劈两侧形成与 旋涡相同频率的压力扰动波, 压力波作用方向与尖 劈的对称面垂直。这种压力扰动波又对喷嘴出口处 的非稳定射流起反馈作用, 从而使整个系统产生流 体自激振荡。从图 4中所示的涡量场可以看出, 喷 嘴与尖劈之间存在旋度较强的旋涡, 然后逐渐衰 减,同时在射流边缘存在卷吸现象。 图 5给出了 h为 2. 5 mm及环形喷嘴平均速度 为 15 m/ s时测得的速度矢量场和涡量场。从图中 可以看出,当 h 较小时射流更加向外侧偏离, 而使 得射流外缘旋涡强度变大, 卷吸现象更为严重。 #77#第 24 卷 第 3 期 姬忠礼:应用粒子成像测速技术测量压力振荡器的瞬态流场 图 4 h 为 4. 5 mm时的瞬态流场(涡量计量单位为 87. 2 s- 1 ) 图 5 h 为 2. 5 mm时的瞬态流场(涡量计量单位为 90. 5 s- 1 ) 4 结 论 ( 1) 采用双脉冲激光光源成功地测量了气体瞬 态速度场, 为双脉冲激光光源测量高速气体流场积 累了一定的经验。由双脉冲激光做光源的 PIV 系 统具有脉冲间隔调节范围宽、测量精度高等特点, 非常适合于从低速到高速全范围的流场测量。 (2) 环形喷嘴射流与尖劈之间存在交错的、方 向相反的旋涡, 且在向尖劈运动过程中逐渐变大, 这种压力扰动又对喷嘴出口处的非稳定射流起反馈 作用, 使整个系统产生流体自激振荡。 参考文献: [ 1] Adrian R J. Par ticle. imaging techniques for experimental fluid mechanics[ J] . Annu Rev Fluid Mech, 1991, 23: 261~ 304. [2] 陈 辉,等. 用 PIV 技术测量自由射流瞬态流场[ J] . 气 动实验与测量控制, 1996 , 10( 4) : 56~ 61. [3] Molezzi, M J and Dutton J C. Study of subsonic base cavity flowfield structure using par ticle image velocimetry [ J] . AIAA 1995, 33(2) : 201~ 209. (责任编辑 吕 鹏) #78# 石油大学学报(自然科学版) 2000 年 4 月 Chemical Engineer ing in the University of Petr oleum , China ( Dongying : 257061) . Wei Tong2sheng, HaoDian, Yu Hai2ming and Su Jin2hua / EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON RO2 TOR2DYNAMIC CHARACTERISTICS STIMULATED BY AIRFLOW IN LABYRINTH SEALS/ 2000, 24(3) : 70~ 72 In order to reveal the self2excited vibration of high2speed rotors with straight through labyrinth seals in the pro2 cess of up2speed and down2speed, three dimensional spectral plots of vibrat ion of high2speed rotor st imulated by airflow in labyrinth seals were measured by PL302 ( double channels data collector and spect rum analyzer) . Qualitative analysis of rotor2dynamic characteristics was carried out . The results prove that there is a rotor speed threshold in the sub2synchronism self2excited oscillat ion. Once this oscillat ion occurs, its swing increases with the rising speed of rotors, while it s frequency keeps a certain value which is about 77% of the first inherence fre2 quency in this experiment . T his kind of oscillat ion obviously differs from the oil whip induced by the oil2film bearing, so the complicated fault could be diagnosed by measuring the three dimensional spectral plots of rotor vibrat ion. Key words: fluid mechanism; labyrinth seal; airflow; rotor; vibrat ion response; frequency spect rum About the f ir st author : Wei Tong2sheng, ma le, assistant lecturer , obta ined MS degree f rom the University of Petr oleum in 1998. Now he is engaged in teaching and resear ching on chemical engineer ing machinery in the University of Petroleum, China ( Dongying : 257061) . J i Zhong2l i and Meng Xiang2bo/ MEASUREMENT AND ANALYSIS OF FLOWFIELD INSIDE FILTERING CANDLE OF CERAMIC FILTER DURING PULSE CLEANING PROCESS/ 2000, 24( 3) : 73~ 75 The instantaneous flowfield inside the filtering candle during pulse cleaning process was measured by hot2wire anemometer on the experimental set2up of ceramic filter with three filtering candles. The influence of cleaning pressure on the instantaneous axial velocity is analyzed. It is shown that the gas flows in the filtering candle can be divided into inward and outward sect ions. T he difference of average radial velocit ies along with axis of the candle can result in uneven effect of cleaning dust cake. Increasing cleaning pressure can improve the pulse clean2 ing efficiency of dust cake on the candle surface. Key words: ceramic filter; filtering candle; pulse2backing cleaning; flow field; instantaneous velocity About the f ir st author : Ji Zhong2li , male, received MS degree in 1987. Now he is an associa te pr of essor and works on high temper atur e gas2solid seper ation technology and equipment in the University of Petroleum , China ( Beij ing 102200) . J i Zhong2l i / MEASUREMENT OF INSTANTANEOUS FLOWFIELD IN PRESSURE OSCILLATOR USING PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY/ 2000, 24( 3) : 76~ 78 The two2dimensional instantaneous velocity field of sinusoidal pressure generator with standing wave tube is measured by particle image velocimetry ( PIV) technology with double2pulsed lasers as lamp2house. T he charac2 terist ics of three kinds of tracer particles to follow the flow are compared. The influence of concentration of t rac2 er part icles in flow on part icle image quality is analyzed. The experimental results show that there are two inter2 laced vortexes which rotates in opposite direct ions in flowfield between the nozzle and the split ter. T he interac2 t ion between the moving vortex and the standing tube causes the self2excitation of the pressure generator. T he gap between nozzle and splitter has influence on the instantaneous flow field. The PIV system with double2pulse laser as lamp2house has a wide adjust ing range of pulse interval and high precision. It is very appropriate for measuring flow field in which the velocity ranges from low to high. Key words: part icle image velocimetry; pressure oscillator; instantaneous flow field; double2pulsed laser About the author : Ji Zhong2l i , male, associate prof essor , received MS degree in 1987. Now he works on high temperature ga s2sol id separa tion technology and equipment at the Department of Mechanical and Electr ic Engineering in the University of Pet roleum, China ( Beij ing: 102200) . Chen Yan2ze and Sun Li / EXPERIMENTAL STUDY ON CAPABILITY OF RESISTING FILTH IN RIPPLE TUBE / 2000, 24(3) : 79~ 80 # ×# Vol. 24 No. 3 Jun. 2000 Journal of the University of Petroleum, China ( Edition of Natur al Science)