三维旋转湍流场激光测速研究

发布时间：2018-11-16 10:24

【摘要】：三维旋转湍流场的研究对廓清旋转流场的分离机制,提高水力旋流器的分离效率,具有十分重要的意义。旋转流场的切向、轴向和径向三个速度分量是阐明其分离机理的基本参数,此外,旋转流场还存在一些基本的流动特征,比如零轴速包络面、短路流和二次涡流。旋转流场具有高度的三维性和瞬时性,对测量技术的要求很高。本文提出综合利用三种激光测速方法,即体三维流场测速(V3V)、粒子图像测速(PIV)和相位多普勒分析(PDPA)三种测试方法的优势,探索可以全面探测旋转流场各主要参数的测试方案。针对35mm锥角为6°的水力旋流器,重点研究了切向、轴向、径向等速度分量,短路流、二次涡流等流动结构以及切向速度指数、零轴速度包络面等流场重要特征和参数,获得的创新性成果如下：(1)通过分析V3V测试光路、设计基于碘化钠-水溶液的折射率匹配方案,结合微流控技术制备单分散示踪微球,首次实现了旋转流场的三维三分量速度分布的测量；测定了三维零轴速度包络面；提出采用三维轴向速度分布进行短路流计算的方法,获得短路流量为13%；发现了向下旋进的二次涡流现象,并给出了体三维流场中旋流场内沿螺旋线分布的循环流流量的计算模型,估算出下锥段的循环流量约为：10.39×10~(-6)m~3/s。(2)首次提出PIV层摄分析法,解决了平面两维PIV无法测量旋转流场的切向速度的问题。测量旋转流场在不同分流比时候的切向速度分布,发现分流比改变了上行流的轴向速度分布和分布空间,分流比为0的工况下旋转流场中心处强制涡区域的切向旋转速度明显较高,而边壁处的切向速度则有一定的削弱；测量了旋流器内不同流量和分流比下r-z面上的轴向速度,发现LZW的形状不随进口流量变化改变,随着分流比的减小,LZW逐渐不连续,过小的分流比导致了过大的向上的轴向速度,使得流体冲撞旋流管壁面,流场的稳定分布被破坏；通过r-z切面上的流线分布,发现旋转流场内的二次涡并不是轴对称的,在整个水力旋流器的长度上交错布置；测量了轴向和径向湍动速度,发现无论是轴向还是径向流强度大的位置主要在强制涡区域,和轻质分散相通过PDPA测得的边壁处轴向湍动更大不同。(3)通过沿锥面布置长视窗,实现灵活的PDPA测量位置以及更多的测试点,切向速度和轴向速度因旋流管斜置引起的总误差最大值分别为0.04%和0.69%；采用PDPA对三种不同进口大小的水力旋流器流场内的切向、轴向速度分量,零轴速度包络面和二次涡流等流场特征进行测量,重点分析了切向速度指数的分布规律,发现切向速度随着进口尺寸的减小而增大。进口的增大还引起了切向速度指数n的增大。更大进口的旋流器切向速度分布更接近自由涡,切向速度从中心的峰值到边壁处下降较快,对边壁处的颗粒分离不利。另外,切向速度指数n从顶盖到底流口成从小到大的趋势。在较小的进口尺寸下,由于输入了更多的能量,柱段的切向速度靠近边壁处呈现出偏强制涡的规律；分析了进口尺寸对轴向速度的影响,发现随着进口尺寸的增大,LZVV的位置相对远离旋流器壁面,同时向轴心以及底流口偏移。此外,通过PDPA测定了切向和轴向湍动速度,发现随进口的减小,切向和轴向的湍动均增大,使得旋流器内能量耗散增大,压力降也会随之增大。
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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.8

【参考文献】