颗粒粒径和气载比改变时湍流调制的变化

颗粒粒径和气载比改变时湍流调制的变化 () 文章编号 :100028055 20090821818206 颗粒粒径和气载比改变时湍流调制的变化 王 兵 , 刘 毅 , 王希麟 ()清华大学 航天航空学院 北京市 3 E 能源重点实验室 , 北京 100084 ( ) : 采用相多普勒颗粒分析仪 PD PA 测试了两相圆湍射流速度场 ,研究了颗粒雷诺数较小情况 要 摘 下 ,粒径和气载比变化时颗粒对气固两相圆湍射流的湍流调制作用 . 实验结果表明 : 颗粒粒径的减小或气载 比的增加均使颗粒对气相湍流度的削弱作用增强 . 通过无量纲化的分析 ,表明颗粒粒径的减小对气相湍流度 的削弱程度强于气载比增加时对湍流度的削弱程度 . 关 键 词 : 气固两相流 ; 圆湍射流 ; 湍流调制 ; 气载比 ; 粒径 ; 相多普勒颗粒分析仪 + 中图分类号 : O359 . 1 文献标识码 : A Turbulence modulat ions ca used by change of part icle size and part icle ma ss loa ding rat io WA N G Bi ng , L IU Yi , WA N G Xi2li n (Beiji ng 3 E Ener gy Key L a bo rato r y , Sc hool of Aero sp ace , )Tsi ngh ua U nive r sit y , Beiji ng 100084 , Chi na Abstract : The velocit y fiel ds i n p a rticle2la de n t wo2p ha se ro und t ur bule nt jet s were ( ) mea sured by mea n s of p ha se Dopp le r p a r ticle a nal yzer PD PA. The t ur bule nce mo dulatio n s ca u sed by t he cha nge of p a r ticle size a nd p a r ticle ma ss lo a di ng ratio we re st udied under t he co nditio n of small p a rticle Reynol ds numbe r . The mea sure d re sult s of t ur bule nce i nt e n sitie s sho w t hat p a r ticle s ha ve mo re p ro no unce d eff ect s o n t he at t e nuatio n of t he ga s2p ha se t ur bu2 le nce , if t he p a r ticle dia met e r re duce s , o r t he p a rticle ma ss loa di ng ratio i ncrea se s. The di2 me n sio nle ss a naly si s sho w s t hat t he at t e nuatio n of t ur bule nce i nt e n sit y i nt ro duced by decrea2 si ng t he p a r ticle size i s hi gher t ha n t hat by i ncrea si ng t he p a rticle ma ss loa di ng ratio . Key words : ga s2solid f lo w ; ro und t ur bule nt jet ; t ur bule nce mo dulatio n ; p a rticle ma ss loa di ng ratio , p a rticle size ; ( )p ha se Dopp ler p a r ticle a nal yze r PD PA [ 2 ] ,燃料颗粒的混合 、弥散以 在航空动力技术中 流调制作用的重要参数. L evy 和 Lockwoo d用 () 一维激光多普勒测速仪 L DV 测量了 5 组不同 及燃烧产物的扩散都是值得关注的基本问题 ,前 粒径范围的颗粒对气相湍流度的影响 ,其研究结 者影响着燃烧装置的效率 ,后者决定了燃烧污染 [ 1 ] 物的控制手段. 两相射流是航空动力技术中的 果表明当颗粒较小时 ,随着粒径的减小 ,颗粒对气 [ 3 ] 相湍流度的削弱作用更强. 燕小芬研究了同一原型流动之一 ,应用广泛 . 颗粒相与流体相的相互 μμ气载比下 250m 和 75m 的玻璃微珠和铜粉对 作用机理是两相射流中尚未解决的重要问题 . 影响两相相间作用的参数很多 . 在气固两相 气相湍流的调制作用 ,实验结果显示玻璃微珠和 铜粉的加入均削弱了气相湍流度且随着粒径的减 圆湍射流中 ,颗粒粒径和气载比是影响颗粒对湍 收稿日期 :2008207230 ; 修订日期 :2009201220 ( ) 基金项目 :国家自然科学基金 50876053 ; 50706021 ( ) 作者简介 :王兵 1977 - ,男 ,河北唐山人 ,讲师 ,博士 ,主要从事动力推进技术及湍流多相流动与燃烧的研究. 射流喷出的气体和颗粒混合物由引风机通过 小颗粒对气相湍流度的削弱作用加强. Shee n ,J o u [ 4 ] μ和 L ee测量了 210m 的聚苯乙烯颗粒在不同 旋风除尘器进行两相分离 . 颗粒将回收利用 ,而示 气载比下对气相湍流的调制作用 ,实验结果显示 踪粒子则通过在引风机的出口处安装除尘布袋进 聚苯乙烯颗粒的加入均削弱了气相湍流度且颗粒 行收集. 对 气 相 湍 流 度 的 削 弱 作 用 随 着 气 载 比 增 加 而 实验中 , 指定射流流向为 X 方向 , 径向为 Y 加强. 方向 . 观测段为一个 01 8 m ×01 8 m ×11 0 m 的玻 璃 [ 526 ] 已有研究表明,颗粒粒径和气载比的改变 窗观察室 . 均能显著的影响颗粒对湍流的调制程度 ,但这两 本文中喷口直径为 20 mm ,单相射流出口截 种措施中哪种对湍流调制的影响更显著的研究报 面中 心 点 速 度 为 61 39 m/ s , 因 此 出 口 雷 诺 数 为 ( 道较少. 为此本文采用相多普勒颗粒分析仪 PD28 490 . 实验采用丹麦丹迪公司生产 的 58N50 型三 ) PA设计实验工况并进行测量 ,研究两相圆湍射 ( ) 维激光相多普勒颗粒分析仪 PD PA 对两相射流 流中颗粒粒径和气载比改变时颗粒对气相湍流调 进行测量. 速 度 测 量 精 度 为 1 % , 粒 径 测 量 精 度 制作用的变化规律 ,采取无量纲分析方法对比这 为 4 %. 两种措施对湍流调制程度的异同 ,旨在为实现两 实验系统的误差包括气相流量波动 、颗粒流 相湍流的控制提供依据 .量波动及颗粒和气相混合等因素带来的误差 . 采 用本实验装置和测量设备对同一工况进行了多次 1 实验系统和测量设备 测量 ,以验证实验系统和测量系统的可信度和可 实验系统由气相流动系统 、颗粒流动系统和 重复性. 结果表明 ,同一工况在不同时间多次测量 示踪粒子添加系统组成 ,如图 1 所示 . 环境空气经 的结 果 一 致 , 最 大 误 差 为 5 % , 帄 均 误 差 为 风机进入实验系统 ,经流量计和整流阀调节流量 , 01 75 % ,测量结果能反映流动规律 .然后流过示踪粒子添加系统 ,这时示踪粒子被加 入到气流中 ,携带示踪粒子的气流再经整流段和 2 测量结果及分析 稳定段调整 ,经收缩段从喷口射出. 本文采用的示踪粒子是与空气密度相当的粒 μ 径为 0,20m 的空心玻璃微珠 . 颗粒相选用不同 粒径的实心玻璃微珠. 实验工况参数如表 1 所示. 表 1 工况列表 Ta ble 1 Condition l ist 工况 γ 体积分数/ % μ 气载比 粒径 d/mp 工况 1 1 92 1 16 30360 工况 2 51 79 01 24 360 190 工况 3 31 92 01 16 以工况 1 为本文实验研究的基准工况. 与工 况 1 相比 ,工况 2 采用相同粒径的颗粒 ,但气载比 图 1 实验系统图 加大 ,从而通过工况 1 和工况 2 的实验测量比较 Fig. 1 Schematic diagra m of t he experiment set up 来研究气载比改变时气相湍流调制作用变化 . 与 工况 1 相比 ,工况 3 的颗粒气载比相同 ,但颗粒粒 为了研究颗粒对湍流的调制 ,实验中需要加 径不同 ,通过工况 1 和工况 3 研究颗粒粒径改变 入选用的颗粒. 颗粒由供粉器加入 ,供粉器是研究 时气相湍流调制作用的变化 .者特别设计加工制造的 ,具有严格控制颗粒流量 的功能 . 颗粒加入后 ,与主流的空气混合 ,一起经 21 1 气相湍流度随颗粒气载比的变化 过整流段 、稳定段和收缩段 ,最后喷出形成稳定两 图 2 和图 3 给出了在不同气载比时 , X/ D = 相射流. 10 和 X/ D = 20 截面气相湍流度的测量结果 . 1820 航 空 动 力 学 报 第 24 卷 图 4 气相湍流度沿射流中心轴线的分布 Fig. 4 A xial and radial t ur bulence i ntensit y alo ng t he a xi s line 直径 D 进行测量长度的无量纲处理 . 实验结果显 示 :沿着射流中 心轴 线 , 在 X/ D > 5 的区 域 颗粒 的加入削弱了气相湍流度 ,且随着气载比的增加 , 颗粒对气相湍流度的削弱作用加大 . 根据测量的两相速度场 ,可以得到两相滑移 速度 ,从而计算出颗粒雷诺数 - 2图中轴向湍流度 u’= u’/ U,径向湍流度 f f f m u- ud f p pR e= p - 2ν v’= f v’/ U,U代表该截面中心轴线处的气相 f f m f m 速度. 由于研究湍流度沿着射流径向 Y 的变化规 γ = 31 92 和 51 79 时 ,颗粒 在气载比分别为 律 ,因此这里的数据采用射流喷口半径 D/ 2 进行 的雷诺数范围分别为 21 3 , 741 7 和 01 1 , 601 1 ,无量纲处理 . 不超过 400 ,是小颗粒雷诺数 . 图 2 和图 3 表明 ,在射流的远场 ,径向湍流度 21 2 气相湍流度随颗粒粒径的变化 略高于轴向湍流度 . 颗粒加入后无论轴向湍流度 图 5,图 7 给出了在负载不同粒径颗粒时 , 还是径向湍流度都低于单相流动的湍流度 . 随着 X/ D = 10 和 X/ D = 20 截 面 气 相 湍 流 度 的 测 量 颗粒气载比的增大 ,湍流度被减小的程度增大. 例 结果 . 如在 X/ D = 10 截面 , 2 Y / D = 1 处在无颗粒负载图 5 和图 6 表明 ,在射流的远场 ,颗粒加入后 时 ,轴向湍流度可达 221 5 % ,而当气载比为 31 92无论轴向湍流度还是径向湍流度都低于单相流动 时 ,气 相 湍 流 度 减 少 到 171 5 % , 增 大 气 载 比 到 的湍流度. 随着颗粒粒径的减小 ,湍流度被减小的 51 79 时 ,则减少到 16 %.程度增大. 如图所示 ,颗粒对湍流的调制具有明显 图 4 给出了沿着射流中心轴线上气相湍流度 的方向差异型 ,颗粒对径向湍流度的作用强于对 的变化 ,并与单相工况进行了比较. 这里采用射流 轴向湍流度的作用. 图 7 气相湍流度沿中心轴线的分布 Fig. 7 A xial and radial t ur bulence i ntensit y alo ng t he a xi s line ()1 (σσ) σ- /= W C T I TPi TP TP i σ 其中表示变化参数之后两相湍流中气相湍流TPi σ强度 ,为 基 准 工 况 下 的 两 相 湍 流 中 气 相 湍 TP 7 给出了沿着射流中心轴线上气相湍流度 图 流度 . 的变化 , 并与单相工况进行了比较 . 实验结果表 除了将湍流度的变化无量纲化外 ,还需将粒 明 ,沿着射流 中 心轴 线 , 在 X/ D > 5 的区 域颗 粒 径的变化和气载比的变化无量纲化 . 参照上述参 的加入削弱了气相湍流度 ,且随着颗粒粒径的增 () () 数 ,用公式 2, 3表示粒径和气载比的变化率 加 ,颗粒对气相湍流度的削弱作用减弱 . ( ) α()= d- d/ d2 pi p p 根据测量的两相速度场 ,在颗粒粒径分别为d μμd= 360m 和 190m 时 , 颗粒雷诺数的范围分 p β(γγ) γ ()= - /3 i γ 别为 21 3,741 7 和 01 76,321 4 ,颗粒雷诺数远低 其中 dp 为参考工况的粒径 ; dpi 为对 比工 况 的粒 于产生非线性脱落尾涡的临界雷诺数 400 .γγ径 ;为参考工况的气载比 ;为对比工况的气载 i 比 . βα通过上述两个参数 ,实现了粒径和气载 比变γ d 21 3 颗粒粒径和气载比变化对气相湍流度 化的无量纲化. 的影响 为了分析参数变化时湍流调制的变化 ,还需 21 31 1 无量纲研究方法 为了比较颗粒粒径的减进一步得到单位变化参数时的湍流调制变化 ,即 小和气载比的增加这 () 用湍流度的变化率除以粒径的变化率 ,如式 4计 算出单位粒径变化率对应的湍流度的变化率 ,将 两种措施对湍流调制作用的效果 ,采用无量纲的α这个值定义为 ; 用湍流度的变化率除以气载比 分析方法将湍流度的变化定量化 ,从而进行分析 . () 的变化率 ,如式 5计算出单位气载比的变化率对 参考文献 [ 6 ] 中定义的湍流变 动 参数 的定 义 , 即 β应的湍流度的变化率 ,将这个值定义为. (σσ) σ- /, 来 表示 颗 粒相 对气 相 湍流 度削 弱 大TP F F 小 1822 航 空 动 力 学 报 第 24 卷 αβ 析结果. 通过比较和的值 ,可以看出粒径的变化 和气载比的变化对湍流度的削弱程度.在 X/ D = 10 和 20 截面上 ,在测量范围的大 部分区域 ,颗粒粒径变化引起调制作用变化的无 W W C T IC T I ii()α= 4 =α量纲量值总体上小于气载比变化引起调制作用 α ( ) d- d / d pi p p d β变化的无量纲量的值 ,说明变化粒径引起湍流 W W C T IC T I ii()β5 = =度的变化强于变化气载比 ,即为了得到强度更弱 β (γ γ) γi - /γ 的气相湍流 ,减小颗粒粒径这一手段比增加颗粒 21 31 2 变颗粒相参数时颗粒调制湍流分析 气载比更加奏效 . 在流动的径向分量上 ,这个作用 下面以工况 1 为基准工况 ,首先得到同一粒 效果更强烈 . 径下 气 载 比 增 加 后 的 工 况 2 的 各 测 量 点 的 W ,然后除以气载比变化率 ,求出相同粒径下 C TIi β单位气 载 比 变 化 率 下 的 湍 流 度 的 变 化 率 . 同 理 ,以工况 1 为基准 ,求出同 一气 载 比下 粒径 变 化后的工况 3 各 测 量 点 的 W , 再 除 以 粒 径 变 C TI i 化率 , 求 出 单 位 粒 径 变 化 率 下 的 湍 流 度 变 化 α率. 图 8 给出了 X/ D = 10 截面处单位粒径变化 率下的湍流度轴向和径 向分 量的 变 化率 以及 单 位气载 比 变 化 率 下 的 湍 流 度 分 量 变 化 率 , 图 9 则是在 X/ D = 20 截面处的结果 . 图 8 在 X/ D = 10 截面粒径和气载比改变时 对气相湍流调制作用的影响 Fig. 8 Eff ect s of cha nging p article dia meter o r pa rticle ma ss loading ratio o n t ur bulence mo dulatio n at X/ D = 10 由于颗粒加入后 ,在大部分区域气相湍流度 减小 ,因此湍流度变化 W 应为负值 ,且数值越 C T I i 小 ,说明颗粒削弱湍流的程度越强. 当 W 为正C T I i 数时 ,表明工况参数变化后测量点处的湍流没有 被削弱反而被增强了 ,但这样的区域主要在射流 近场. 图 10 给出了沿射流中心轴线单位粒径变化 率下的湍流度轴向和径向分量的变化率以及单位 沿中心轴 线 , 在 X/ D > 5 的 射 流 远 场 区 域 , 气载比变化率下的湍流度分量变化率的无量纲分无论在轴向还是在径向颗粒粒径变化导致湍流调 of jet mi xi ng en ha nce ment wit h wedged nozzle [ J ] . J o ur2 制变化的数据值 均小 于 颗粒 气载 比 变化 时的 情 (( ) nal of Aero sp ace Po wer , 2006 , 21 5: 88428901 i n Chi2 况 ,这再次说明粒径的减小对湍流度的削弱作用 )ne se 更大. [ 2 ] L evy Y , Lockwoo d F C. Velocit y mea sure ment i n a p arti2 cle laden t ur bulent f ree jet [ J ] . Co mbu stio n a nd Fla me , 3 结论 1981 , 40 : 2313223201 燕小芬. 气固两相圆湍射流场流动特性的 PD PA 实验研究 [ 3 ] 采用 PD PA 测量两相圆湍射流的速度场 ,研 [ D ] . 北京 : 清华大学 ,20061 究了负载不同粒径颗粒和不同气载比时的湍流调 YA N Xiaof en . PD PA exp eri ment al i nve stigatio n o n t he 制 ,得到如下结论 : flo w charact eri stics of ga s2solid t ur bulent jet s [ D ] . Bei2 ()ji ng : Tsi nghua U niver sit y , 20061 i n Chi ne se ) 1根 据 实 验 测 量 得 到 的 颗 粒 雷 诺 数 小 于 Sheen H J , J o u B H , L ee Y T. Eff ect of p a rticle size o n a 400 ,颗粒的加入均削弱气相湍流度 ;[ 4 ] t wo2p ha se t ur bulent jet [ J ] . Exp eri ment al Ther mal and ) 2随着颗粒气载比的增加或颗粒粒径的减 Fl uid Science , 1994 , 8 : 31523271 小 ,颗粒对气相湍流度的削弱作用增强 ; Go re R A , Cro we C T. Eff ect of pa rticle size o n mo dula2 [ 5 ] ) 3无量纲分析方法表明 ,颗粒粒径的降低比 ti ng t ur bulent i nt en sit y [J ] . Int er natio nal J o ur nal of Mul2 ( ) tip ha se Flo w , 1989 , 15 2:27922851 气载比的增加对气相湍流度的削弱作用更有效 . 崔 金 雷. 气 固 两 相 圆 湍 射 流 相 间 调 制 规 律 的 实 验 研 究 [ 6 ] [ D ] . 北京 :清华大学 ,20041 参考文献 : CU I J i nlei . Experi ment al i nve stigatio n o n t he mo dulatio n [ 1 ] 刘欣 ,姜楠. 喷口加齿湍射流增强混合的实验与数值模拟 law bet ween t he p ha se s i n ga s2solid ro und jet s [ D ] . Bei2 ( ) [J ] . 航空动力学报 ,2006 ,21 5: 88428901 ()ji ng : Tsi nghua U niver sit y , 20041 i n Chi nese L IU Xi n , J IA N G Na n . Exp eri ment al a nd numerical st udy