平面射流及平面射流火焰中拟序结构的实验研究

平面射流及平面射流火焰中拟序结构的实验研究 () , 2002, . 42, . 2 2432246 CN 1122223N /J T singhua U inv Sci& T echV o lN o 帄面射流及帄面射流火焰中拟序结构的实验研究 刘 奕, 郭印诚, 张会强, 王希麟, 林文漪 ( )清华大学 工程力学系, 北京 100084 摘 要: 在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和组建了二维帄面射流及帄面射流燃烧实 混合、燃烧、化学反应以及能量的输运过程等都起着 验系统的基础上, 对二维帄面湍射流流场及帄面湍射流燃烧 重要作用, 因此对湍流及湍流燃烧中的拟序结构的 场进行了流场显示实验研究。 实验采用烟雾作为示踪粒子, 研究具有重要意义。 由 2气体激光器产生的激光束经柱面镜后形成片光源 H eN e 帄面射流作为射流的一种基本形式, 既具有射实现对流场的照明。实验给出了不同射流伴流速度比下二维 流所具有的全部特性, 如射流与周围流体间形成不 帄面湍射流的流场显示图像, 不同的射流发展阶段流场中的 稳定的剪切层, 流动的失稳、转捩, 相干结构及涡的 大尺度湍流拟序结构的形态及其发展演变情况以及射流燃 产生、发展和相互卷吸等, 又由于其结构简单, 更易 烧场中湍流拟序结构的形态。 实验同时 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 在射流燃烧情 于排除其他干扰因素的影响从机理上对射流及射流 况下, 火焰的存在使喷嘴出口处的流动层流化, 并显著降低 燃烧现象进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 研究, 因此对帄面射流及帄面射 初始剪切层的增长。 关键词: 帄面射流; 拟序结构; 流场显示 流燃烧的研究一直是湍流和湍流燃烧研究的热点 1 , 5 之一 。 中图分类号: 357 O 目前对气体射流及射流燃烧的实验研究结果还 () 文章编号: 100020054 20020220243204文献标识码: A 很不完善, 主要原因在于: 其一, 通常示踪粒子在气 体中的扩散率远大于在液体中的扩散率, 示踪粒子 Exper im en ta l study of coherent struc ture s 的过快扩散使其与周围环境间的对比度很小, 不易 in p lana r je ts an d p lanar je t f lam e s 分辨流场结构, 也增大了图像捕捉的难度。 其二, 缺 L IU Yi, GUO Yinc he ng , ZHANG Hu iq ia ng , 乏实用便利的测量仪器及技术。 曾被广泛使用的热 W ANG X ilin, L IN W e ny i () 线 热膜风速仪法由于热线或热膜容易在实验中被 (D epar tm en t of En g in eer in g M echan ic s, )Ts in ghua Un ivers ity, Be ij in g 100084, Ch ina 污 染 和 打 断 不 宜 用 于 流 场 拟 序 结 构 的 实 验 研 究, 技术虽然能够有效的对流场拟序结构进行观 P IV A bstrac t: T h e in stan taneo u s f low im age s o f th e la rge2sca le co h e ren t st ruc tu re s in tu rbu len t p lana r je t s and tu rbu len t p lana r je t , 短期内还很难 测量系统价格昂贵测, 但由于 P IV f lam e s w e re re sea rch ed exp e r im en ta lly. A H e2N e ga s la se r w a s u sed 推广应用。fo r th e f low v isua liza t io n w ith a ha lf cy linde r len s u sed to fo rm a lum ino u s sh ee t. T he f low v isua liza t io n re su lt s o f sm o ke2seeded 鉴于上述情况, 本文采用流场显示技术作为研 f low s show th e beh av io r o f the la rge2sca le co he ren t st ruc tu re s in 究手段, 采用烟雾作为示踪粒子, 由激光器提供激光 bo th tu rbu len t p lana r je t s and tu rbu len t p lana r je t f lam e s. T h e 片光源, 用摄像机拍摄流场中拟序结构的动态演变 exp e r im en ta l re su lt s a lso show how lam ina r iza t io n o f the f low f ie ld o ccu r s unde r th e co nd it io n o f th e je t com bu st io n. 过程, 建立二维帄面射流和射流燃烧的动态图像库, Key words: p lana r je t; co h e ren t st ructu re; f low v isua liza t io n 给出了不同射流伴流速度比下二维帄面湍射流在不 同的射流发展阶段拟序结构的发展演变情况以及射 流燃烧场中的拟序结构形态。 射流现象是工业设备中广泛存在的现象, 也是 大多数动力燃烧设备所采用的流动形式。 对湍流射 流燃烧现象的研究一直为众多研究者所关注。 由于 收稿日期: 2000210223 湍流燃烧的复杂性, 湍流与燃烧之间的强烈相互作 ( ) 基金项目: 北京市自然科学基金资助项目 3982008; 清华大学博士论文基金资助项目 用一直是困扰湍流燃烧研究的难题之一。 近年来对 理系激光实验室生产的功率为 40 的 2120 mW HN 1 实验系统的设计和组建 型 2气体激光器作为照明光源, 它能输出波长 H eN e 图 1 给出了作者设计的二维帄面射流喷嘴的结 为 632. 8 的红光。 为了获得清晰的射流拟序结nm 构图。喷嘴采用 8 mm 厚的钢板制作, 喷嘴出口狭缝 构图像, 实验时将帄行的激光束校准至与射流展向宽度 1. 3 , 长 100 , 能较好地满足二维流动 mm mm 的中心位置并与射流方向垂直, 使激光通过一个柱 的要求。喷嘴收缩段的收缩角为 72, ? 以保证均匀的 面透镜, 形成一个与柱面透镜轴线垂直的片光源, 实 出口速度。 喷嘴与供气管路之间设置截面矩形尺寸现对研究关注的流场区域的照明。 示踪粒子采用卫为 49. 3 ×150 的扩散段, 使流体在进入喷 mm mm 生香燃烧产生的烟雾。 卫生香 嘴前实现充分混和。 燃烧的烟尘微粒直径在 1, 5 之间, 能够很好的 Λm 满足流动显示对示踪粒子无腐蚀性、无毒以及良好 6 的跟随性的实验要求。 为了使示踪粒子的添加不 对实验段流场产生明显的影响, 烟发生器安装在射 流上方气流进入流道之前, 这样既能保证示踪粒子 在流场中充分均匀地混合, 又能避免对流场产生过 多影响。 图 1 喷嘴结构简图 实验采用 295002型摄 P ana so n ic N V M EN SV H S 射流两侧各设置一股空气低速伴流, 射流速度 录像机在上述照明模式下对射流中的涡结构进行 如图 2 所示, 为了减 和伴流速度分别记为 je t 和 co , u u 拍 少重力对实验结果的影响, 射流与伴流的方向均安 摄。 摄像时选用摄像机快门速度的高速档, 使人们可 排为竖直向上。为了保证流动的均匀性, 射流流道中 以方便地直接观看并研究某一特定时刻的射流流 装有多孔板和蜂窝器, 伴流流道中装有多孔板、蜂窝 动 ( 快门速度, 是为了克服人眼睛的视觉暂留效应。正常 ) 照明条件下人眼睛的视觉暂留时间为0. 1 用快摄 s器和滤网, 实验台总体设计如图 2 所示。无反应射流 空间 时间图像。获得清晰的拟序结构图像。采用高速慢放的手段来扩展人眼视力的极限, 相当于通过高速 流场显示实验中射流空气由压气机提供, 射流燃烧 摄像来放大时间标尺, 增大了人眼的时间分辨率。 实验中射流气体为甲烷, 由高压甲烷气瓶提供, 伴流 对记录有拟序结构在射流中扩散规律的模拟录 空气均由低压风机提供。 像带进行数字化处理, 通过 227P an a so n ic N V J M C 盒式录像机在 209 型闭路电视上进行播放, 同 P IH 时将录像的复合视频模拟信号通过基于 总线 PC I 的大恒 22高速黑白图像卡, 经 /V ID EO PC ISM A D 显示卡 转换, 比例缩放, 剪裁等处理后, 传到 SV GA 实时显示或计算机内存实时储存。 由于数据的传输 过程是由图像卡控制的, 所以无需 参与, 因此 C PU 图像的传输速度可以达到 40 。/M b its 对于射流燃烧情况, 由于火焰自身温度和亮度 都很高, 因此无需上述发烟和照明系统, 直接用摄像 机进行拍摄即可。 实验系统如图 3 所示。 1—喷嘴; 2—滤网; 3—蜂窝器; 4—多孔板 图 2 实验台简图 实验观测的流场区域是矩形腔体, 腔体四壁采 用玻璃进行封闭以屏蔽外界对流场的影响同时也便 图 3 实验系统示意图 于实验观测。 实验的激光照明系统采用北京大学物 刘 奕, 等: 帄面射流及帄面射流火焰中拟序结构的实验研究 245 2 流场标定 良好的流场均匀性和二维性是二维流场实验结 果真实可靠的首要前提, 为此, 在实验进行之前首先 对流场的均匀性和二维性进行标定。 选取距喷嘴出 口帄面流向距离 = 25 的横截面进行标定测试, h cm 分别将横向和展向记为 和 方向, 测试点沿横向 x y 和展向均匀对称布置, 横向以喷嘴中线为对称中心, 展向以流场中截面为对称中心, 坐标系和测试点的 选取如图 4 所示。为了尽可能减少测量误差, 对每个 测试点均进行多次测量。 对多次测量数据取帄均后 的实验结果示于图 5。 图 5 流场标定实验结果 3 实验结果及分析 图 4 流场标定测试点示意图 为了比较射流入口截面处射流速度 u je t 与伴流 由图 5a 可以看出, 在流场的大部分区域内沿横 之比对流动发展过程的影响, 实验中固定入 速度 u co 向和展向均有较好的对称性, 接近横向边界附近受 口截面处的伴流气体速度 , 通过改变射流气体 u co 固壁边界的影响速度有所降低, 但仍能保持较好的 速度 实现不同的速度比, 并在不同的速度比下进u je t 行了多次实验。 图 6 给出了不同的射流伴流速度比对称, 说明流场有较为满意的二维性, 图 5中流向 b 速度沿展向的变化很小, 在流场中部基本不变, 仅在 下二维帄面湍射流的流场显示图像, 其中图 6和图a 靠近边界处受固壁影响略有降低, 表明流场有较好 6是无反应射流的流场图像, 图 6和图 6是有射 b c d 的展向均匀性。上述流场标定测试结果表明, 本文设 流火焰的流场图像。 图 6 清楚地示出了在不同的射 计的实验台能够提供具有较好均匀性和对称性的二 流发展阶段射流拟序结构的发展演变情况以及速度 维流场, 满足二维流场实验要求。 比变化对射流流场形态的影响。 () () () () a无反应流动, 无反应流动, 有反应流动, d有反应流动, b c u u u = 5u 1;jet co u u u = 2. 5u 1;u u u = 5u 1;u u u = 10u 1je t co jet co jet co 射流核心区长度 + : 涡核心 : L 比较图 6a , 6b 和图 6c, 6d 可以看出: 不论是有 4 结 论 反应射流还是无反应射流, 随着射流伴流速度比的 ) 1本文设计组建了用于研究有反应和无反应 增大, 射流张角都明显增大, 射流核心区缩短, 流场 帄面射流流场结构的实验台, 实验台设计制造成本 的涡结构更为丰富, 拟序结构空间分布的混乱程度 低, 能够得到均匀性和对称性都较好的二维流场, 较 增强。比较图 6和图 6可以发现, 对于相同射流伴 b c 为满意地实现了对二维射流流场的观测, 建立了相 流速度比的无反应射流和有反应射流流场, 火焰的 应的射流流场拟序结构的动态发展演变图像库。 存在大大减弱了拟序结构的行为, 使流场明显地层 ) 2实验结果示出了不同速度比下帄面湍射流 流化, 有反应存在的情况下射流张角明显减小, 射流 流动中的大尺度拟序结构及其发展演变的细节过 核心区增长, 这可以归因于初始剪切层增长的降低。 程, 直观地反应了射流伴流速度比变化对射流张角、 图 6中用“+ ”示出了涡核心的位置, 它们明显 a 核心区长度、拟序结构形态等射流流场结构的影响。 地表现出卡门涡街的结构特征。实验中发现, 在小的 ) 3实验发现火焰的存在大大减弱了拟序结构 射流伴流速度比下射流流场都明显表现出卡门涡街 的行为, 使流场明显地层流化。 结构, 但随着速度比的增大, 卡门涡街形态结构的长 本文构建的实验台可以进一步对有反应和无反 度缩短直至不出现稳定的卡门涡街形态。 在图 6,b 应二维射流流场进行包括定量测量在内的实验研 6和 6中都发现射流边缘出现小的尖角形卷起形 c d 究, 为深入了解射流流场机理以及拟序结构与流动 状, 如图中用圆标出的位置, 我们在实验得到的流场 和燃烧间的相互作用提供基础。 连续发展变化的图像中发现, 这些尖角是涡结构开 始卷起的初始形态, 它们在流动过程中是随机产生 ()参考文献 Ref eren ce s 的, 其产生的位置也是不确定的, 但在不同速度比的 1 ] Gu tm a rk E , W ygnan sk i I. T h e p lana r tu rbu len t je t J . J 有反应和无反应流场显示实验中都发现了这一现 ( ) F lu id M ech , 1976, 73 3: 465 495. 象, 这些尖角卷起后会迅速发展并形成大尺度的涡 2 ] T o k uh iro A , K im u ra N. E xp e r im en ta l inve st iga t io n o n th e rm a l st r ip ing m ix ing p henom ena o f a ve r t ica l no n 2buo yan t 结构, 表明尖角的卷起是拟序结构触发并继续发展 je t w ith tw o ad jacen t buo yan t je t s a s m ea su red by u lt ra so und 演变的开始。 dopp le r ve lo cim e t ry J . N u cl E ng and D esig n , 1999, 实验中还发现, 射流拟序结构的发展呈现周期 ( ) 188 1: 615 626. DU A N W enzho ng, ZHA N G Zhengquan. S tudy o n 22D P lane 3 ] 性和阶段性, 拟序结构经历了触发、生长、卷吸、合并 w a ll je t in sta t ic c ircum stance s J . J H y d rau l ic E ng , 1998, 等一系列过程, 最终趋向于退化。 在这一过程中, 流 10: 54 59. 场中会随机的再次触发涡的卷起, 并经历拟序结构 4 ] J am e s R K , Edw a rd s D K. E ffec t o f m o lecu la r ga s rad ia t io n o f a p lana r tw o 2d im en sio na l, tu rbu len t2je t2d iffu sio n f lam e 的另一个发展周期。这里需要指出的是, 拟序结构并 ( ) J . J H T , T rans A SM E , 1999, 2: 221 226. 不是严格按照一个周期结束后再开始另一个周期的 5 ] T hom a s F O , Go ld schm id t V W. S t ruc tu ra l ch a rac te r ist ics o f 发展, 而是随机触发的, 但拟序结构一旦触发, 就必 a deve lop ing tu rbu len t p lana r je t J . J F lu id M ech , 1986, 163: 227 256. 然会经历上述的周期性过程, 实验记录的连续的流 6 ] M e rzk irch W . F low V isua liza t io n M . N ew Yo rk and 场显示图像清楚地示出了这一过程。L o ndo n: A cadem ic P re ss, 1974.