矩形通道內(nèi)縱向渦發(fā)生器作用下流場(chǎng)的PIV實(shí)驗(yàn)研究

閔春華，楊立新，齊承英，董江峰

（1.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.邢臺(tái)市熱力公司，河北 邢臺(tái) 054000）

縱向渦發(fā)生器是一種有效的被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱手段，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]．為分析縱向渦發(fā)生器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，文獻(xiàn)中研究了誘導(dǎo)渦與對(duì)流換熱的關(guān)系，如Chen等[5]對(duì)矩形通道內(nèi)三角形翼誘發(fā)的流場(chǎng)進(jìn)行了強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三角形翼渦發(fā)生器對(duì)流體軸向平均速度和軸向旋渦沒(méi)有明顯的影響，但會(huì)增加湍流動(dòng)能．為分析流動(dòng)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)中出現(xiàn)了多種測(cè)量方法，如文獻(xiàn) [6-7]分別采用X型熱線風(fēng)速儀和四探頭熱線風(fēng)速儀測(cè)量了通道內(nèi)布置有矩形翼的瞬時(shí)速度和溫度分布規(guī)律．文獻(xiàn)[8]則采用了旋轉(zhuǎn)探針技術(shù)．文獻(xiàn) [9]采用液晶顯示技術(shù)比較了12種不同形狀的渦發(fā)生器作用下的流動(dòng)特性．文獻(xiàn) [5]采用激光多普勒測(cè)速儀對(duì)布置有三角形翼的通道的流動(dòng)特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究．激光粒子圖像成像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV）作為一種最新的流動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)試手段，受到了研究者的關(guān)注，如文獻(xiàn) [10]利用PIV技術(shù)對(duì)貼壁方柱湍流場(chǎng)進(jìn)行了可視化研究．文獻(xiàn) [11]利用PIV技術(shù)對(duì)縱向渦發(fā)生器后的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量．從以上文獻(xiàn)中可以看出，PIV技術(shù)在流動(dòng)可視化研究中具有重要前景，但用于分析矩形通道內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的縱向渦發(fā)生器產(chǎn)生的二次流結(jié)構(gòu)區(qū)別的研究成果尚不多見(jiàn)．

本文利用PIV技術(shù)對(duì)矩形通道內(nèi)布置矩形翼及組合翼縱向渦發(fā)生器時(shí)的流動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)量，分析了旋渦的產(chǎn)生及發(fā)展規(guī)律．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental system

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞、PIV系統(tǒng)和示蹤粒子發(fā)生器等幾部分構(gòu)成，如圖1所示．實(shí)驗(yàn)通道采用開式吸風(fēng)方式，由有機(jī)玻璃板做成，保證激光順利透過(guò)．通道橫截面為矩形，幾何尺寸為1200mm×160mm×40mm（長(zhǎng)×寬×高）．

實(shí)驗(yàn)中采用的PIV系統(tǒng)由美國(guó)TSI公司生產(chǎn)，以Yag雙槍激光器為光源，利用640像素×480像素的CCD相機(jī)，拍攝速度為15幀/s，采用同步器使激光器系統(tǒng)和CCD相機(jī)相匹配．在同步器上設(shè)置激光的工作方式（雙脈沖式）、CCD的工作方式、脈沖的延遲時(shí)間和雙脈沖的時(shí)間間隔等．系統(tǒng)工作時(shí)，CCD的幀同步信號(hào)是主同步信號(hào)，同步器通過(guò)捕捉CCD的脈沖信號(hào)，根據(jù)所設(shè)定的脈沖延遲時(shí)間和間隔時(shí)間來(lái)控制激光器發(fā)光．由CCD相機(jī)拍攝到的圖片為TIFF格式，采用INSIGHT 3G后處理軟件進(jìn)行分析．

采用Rosco 1700型煙霧發(fā)生器，產(chǎn)生的顆粒直徑為1～2m，可以滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)量的需要．產(chǎn)生的粒子無(wú)危害，不污染設(shè)備．示蹤粒子在通道入口加入，保證粒子均勻分布，也不會(huì)干擾流場(chǎng)．

PIV測(cè)試不確定度受多個(gè)因素的影響，如鏡頭特性、激光片的與鏡頭的距離等．但這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小[12]．另外，示蹤粒子的跟隨性對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，實(shí)驗(yàn)中示蹤例子的直徑為1～2m，在PIV測(cè)試精度要求范圍內(nèi)，故實(shí)際上對(duì)結(jié)果影響較?。?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)的主要目的在于比較光通道和分別布置有矩形翼和組合翼的通道內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)．實(shí)驗(yàn)通道及縱向渦發(fā)生器如圖2所示．組合翼由矩形翼（這里稱為主翼）的側(cè)面垂直布置一較小的矩形輔翼構(gòu)成．圖中輔翼布置在主翼的上游，通過(guò)后面的分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，輔翼布置在主翼的上游和下游對(duì)流動(dòng)特性有一定影響．另外圖中輔翼沿流動(dòng)方向向下安裝，后面分析結(jié)果表明，輔翼向上和向下安裝產(chǎn)生的二次流有一定區(qū)別．主翼的攻角記為，輔翼的攻角記為 ．實(shí)驗(yàn)中，主翼攻角和輔翼攻角均為30°．

在矩形通道進(jìn)口處布置一個(gè)熱線風(fēng)速儀用于測(cè)量風(fēng)速．由于進(jìn)口斷面各處風(fēng)速差別較小，可認(rèn)為熱線風(fēng)速儀測(cè)得的風(fēng)速為通道平均風(fēng)速．

主翼尺寸為40 mm×30 mm×1.2 mm（長(zhǎng)×寬×厚），輔翼尺寸為20mm×10mm×1.2mm（長(zhǎng)×寬×厚）．渦發(fā)生器到通道入口距離為m=40 mm，輔翼在主翼上的位置為a=15 mm和b=20mm．各符號(hào)均標(biāo)示于圖2．

圖2 實(shí)驗(yàn)通道及組合翼縱向渦發(fā)生器Fig.2 Theexperimental channel and combined wing vortex generator

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了5個(gè)斷面的速度矢量，這5個(gè)斷面到縱向渦發(fā)生器前端的距離分別為36 mm、42 mm、57 mm、114 mm和216mm．每次拍攝圖片數(shù)量為1 500對(duì)，對(duì)每對(duì)圖片的結(jié)果取時(shí)均值后再進(jìn)行分析．

有機(jī)玻璃板能保證激光順利透過(guò)，但會(huì)影響CCD相機(jī)拍攝清晰度．為避免有機(jī)玻璃板對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)中將CCD相機(jī)置于通道后端，而將引風(fēng)機(jī)連接在通道上端，如圖1所示．實(shí)驗(yàn)證明，該方法能有效捕捉被拍攝斷面的速度分布．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3所示為光通道不同斷面處的二次流矢量圖．受到CCD相機(jī)視角的影響，圖中僅顯示通道寬度的一半．實(shí)際上，在通道內(nèi)布置一對(duì)縱向渦發(fā)生器后，可近似認(rèn)為流動(dòng)沿寬度方向?qū)ΨQ．可以看出，在沒(méi)有受到縱向渦發(fā)生器干擾的情況下，光通道內(nèi)產(chǎn)生了二次流．這主要是因?yàn)槭艿厍蜃赞D(zhuǎn)作用的影響，空氣在通道中產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．比較不同斷面處的二次流可以看出，縱向渦的強(qiáng)度沿流動(dòng)方向逐漸減弱；當(dāng)>114 mm時(shí)，旋渦破碎，形成多個(gè)小旋渦均勻分布在通道斷面上．這可能是因?yàn)榭諝馐艿骄匦瓮ǖ?個(gè)直角的干擾，由地球自轉(zhuǎn)引起的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度被耗散而逐漸減弱，破壞了旋渦的進(jìn)一步發(fā)展．但總體上光通道內(nèi)二次流強(qiáng)度較弱，因此作者認(rèn)為，該二次流對(duì)換熱影響較小，詳細(xì)研究有待深入展開．這一結(jié)論在本文后面分析縱向渦發(fā)生器作用下產(chǎn)生的二次流的特點(diǎn)時(shí)可得到驗(yàn)證．

圖4所示為矩形翼在不同斷面處產(chǎn)生的二次流．與光通道相比，旋渦強(qiáng)度和旋渦影響的范圍均明顯增加，如在=216 mm的斷面上仍有明顯旋渦．另外，在=42mm的斷面上，在壁面附近產(chǎn)生一個(gè)角渦，但角渦強(qiáng)度較小，且隨著流動(dòng)的進(jìn)行，角渦逐漸消失．圖5所示為當(dāng)輔翼背風(fēng)且沿流動(dòng)方向向下安裝時(shí)，組合翼在不同斷面處產(chǎn)生的二次流．可以看出，所產(chǎn)生的旋渦結(jié)構(gòu)與矩形翼相似，但組合翼產(chǎn)生的主渦和角渦強(qiáng)度均比矩形翼產(chǎn)生的旋渦強(qiáng)度大．

圖6所示為組合翼輔翼沿流動(dòng)方向向下安裝時(shí)迎風(fēng)位置和背風(fēng)位置產(chǎn)生的二次流的區(qū)別．可以看出，輔翼背風(fēng)安裝時(shí)，角渦靠近通道底面，而輔翼迎風(fēng)安裝時(shí)，角渦靠近通道側(cè)壁．這主要是因?yàn)橹饕淼谋筹L(fēng)為吸力面，流速高于迎風(fēng)面，輔翼對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)增強(qiáng)．

圖3 光通道二次流速度矢量Fig.3 Secondary flow velocity vector in thesmooth channel

圖4 矩形翼產(chǎn)生的二次流Fig. 4 Secondary flow velocity vector generated by the rectangular wing

圖5 組合翼輔翼背風(fēng)沿流動(dòng)方向向下安裝時(shí)產(chǎn)生的二次流Fig.5 Secondary flow velocity vector generated by thecombined wing with theaccessory wing mounted downward and on theback face

以上分析表明，矩形翼與組合翼產(chǎn)生的二次流有較大區(qū)別，對(duì)于組合翼，輔翼的不同布置位置與布置方式得到的二次流也有較大區(qū)別．由于流動(dòng)結(jié)構(gòu)的區(qū)別，流動(dòng)與通道壁面的作用不同，從而引起對(duì)流換熱強(qiáng)度的變化．關(guān)于流動(dòng)結(jié)構(gòu)與對(duì)流換熱之間的關(guān)系，有待進(jìn)一步展開研究．

圖6 =42mm處迎風(fēng)輔翼與背風(fēng)輔翼產(chǎn)生的二次流比較Fig.6 Comparison of secondary flow velocity vector generated by thecombined wing with theaccessory wing mounted on thefront and back facesat =42 mm

3 結(jié)論

利用PIV技術(shù)對(duì)矩形通道內(nèi)布置矩形翼縱向渦發(fā)生器與組合翼縱向渦發(fā)生器時(shí)產(chǎn)生的二次流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量，分析了組合翼輔翼布置位置和布置方式對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響，得到如下主要結(jié)論：

1）由于地球自轉(zhuǎn)作用，空氣在流過(guò)光通道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．受到通道邊壁的干擾，旋渦強(qiáng)度沿流動(dòng)方向逐漸減弱，最后在通道斷面上形成多個(gè)小旋渦．

2）與光通道相比，通道內(nèi)布置矩形翼縱向渦發(fā)生器后，旋渦強(qiáng)度和影響范圍均明顯增加．在距縱向渦發(fā)生器較近的地方，形成角渦，隨著流動(dòng)的進(jìn)行，角渦逐漸消失．

3）組合翼產(chǎn)生的二次流結(jié)構(gòu)與矩形翼相似，但二次流和角渦強(qiáng)度均增加．從二次流的強(qiáng)度和角渦對(duì)通道底面的作用的角度分析，輔翼背風(fēng)布置優(yōu)于迎風(fēng)布置．

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