PIV与PLIF同步测量方法在湍流扩散研究中的应用

发布时间：2021-09-30 15:56

　　为了定量分析湍流中浓度、温度等标量的输运过程,需要同时获取流场空间内速度和标量的脉动值,以确定湍流扩散特征量。详细介绍了同步应用粒子图像测速与平面激光诱导荧光技术开展测量和数据处理的方法,并应用该方法获取了槽道内两种流体的湍流扩散通量等特征量。研究结果表明,该方法可有效地应用于湍流扩散研究领域。 

【文章来源】：上海电力学院学报. 2019,35(01)

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

槽道截面上不同类型流体的平均流向速度分布

慷戎?。该处理方法的示意图如图2所示。图2中黑点即为速度矢量位置。图2速度矢量与荧光像素点相对位置示意根据该设想，结合PLIF校准测试中所得到的荧光强度与染色浓度的线性关系，通过自编程序处理，即可得到每幅瞬时图像中各速度矢量位置上的浓度值及其系综平均值，从而可以得到平均浓度和瞬时脉动浓度场。利用与上述时间对应的瞬时脉动速度场和瞬时脉动浓度场，就可以计算出湍流扩散的特征量，以实现真正意义上同步测量数据的应用。4应用与结果4．1平均速度和浓度图3和图4分别给出了应用同步测量方法得到的槽道截面内平均流向速度和注入溶液在垂直壁面方向上的平均浓度分布。图3中的纵坐标为基于槽道内平均速度(Ub)做无量纲化的平均流向速度;图4中的纵坐标C/C0代表基于注入水或溶液最大荧光强度值计算的无量纲平均浓度值。图3槽道截面上不同类型流体的平均流向速度分布图4垂直壁面方向不同类型流体的平均浓度分布由图3可以看出，槽道中呈抛物线分布的平均流向速度，经积分可求得槽道内截面上平均速度为0．82m/s。该结果与试验槽道内通过流量反算的平均流速一致。这也证明了测量结果及该同步测量方法的可靠性。此外，对比发现，靠近多孔壁面处，注入聚合物溶液的平均速度分布略大于注入水流的平均速度，这与黏弹性的高分子聚合物溶液造成的湍流减阻现象一致。黏弹性溶液抑制近壁涡结构，使得近壁区域内流体脉动速度倾向于以流向方向为主导，从而改变了近壁区域的速度分布。槽道另一侧壁面附近的流体因注入聚合物溶液扩散较慢并未受到影响，速度分布与注水条件下相同。由图4可以看出，在注入聚合物溶液

上海电力学院学报2019年的无量纲平均浓度明显高于注水条件下的值，而注入的水在垂直壁面方向整体平均浓度梯度较小且很平稳。这表明，与水相比，聚合物溶液在槽道湍流中的扩散较慢。究其原因，同样是受黏弹性溶液抑制了湍流涡结构的影响。这些定性结果与文献［4-5］中的报道一致，反映了同步测量中标量测定结果的可靠性。4．2脉动速度与浓度图5给出了注入水和聚合物溶液条件下测量平面内典型瞬时流向与垂直壁面方向的脉动速度和量与脉动浓度图。图5中的云值即为该瞬间各矢量位置上的无量纲脉动浓度值。由图5(a)可知，在注水的槽道中，速度矢量反映出了丰富的涡结构信息，且注入的被染色的水分布在全场，表现为各处脉动浓度均有较大的值。由图5(b)可知，受注入聚合物溶液的影响，槽道湍流中近壁涡结构得到一定程度的抑制，聚合物的扩散也受抑制，在远离壁面位置，脉动浓度值较小。由此可见，应用同步测量方法，可以很方便地获取能反应流动结构和浓度标量瞬时分布的信息，便于查明两者的相互作用机制与影响。图5测量平面内不同类型流体的脉动速度矢量和脉动浓度4．3湍流扩散的质通量湍流质通量由测量所得的平面内相同位置脉动浓度值与脉动速度值相乘而得，随后结合所有拍摄到的瞬时图像做系综统计平均，得到垂直壁面方向(y方向)上不同位置的湍流质通量。其中，对湍流扩散传质起主导作用的垂直壁面方向湍流质通量的表达式为c'v'(y)=1NxNk∑Nxx=1∑Nkk=1c'kv'k(x，y)(2)式中:c'———浓度脉动值;v'———垂直壁面方向上的脉动速度;Nx———每条流向线上的数据点;Nk?

【参考文献】：
期刊论文
[1]预燃级内级旋流对燃烧室点/熄火性能的影响[J]. 吴浩玮,陈浩,刘存喜,杨金虎,穆勇,程明,徐纲.  燃烧科学与技术. 2017(06)
[2]粒子图像测速技术研究进展[J]. 许联锋,陈刚,李建中,邵建斌.  力学进展. 2003(04)



本文编号：3416192