90°方形彎管內(nèi)部流場(chǎng)PIV試驗(yàn)

馬皓晨,代 翠,董 亮,吳賢芳

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

90°方形彎管內(nèi)部流場(chǎng)PIV試驗(yàn)

馬皓晨1,代 翠2,董 亮2,吳賢芳2

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

為了揭示不同進(jìn)口流速情況下90°方形彎管內(nèi)部流動(dòng)特征,在構(gòu)建90°方形彎管專(zhuān)用PIV試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)之上,對(duì)彎管內(nèi)不同斷面以及不同半徑上的流速分布情況進(jìn)行了PIV測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用PIV技術(shù)能較好地獲得彎管內(nèi)部流動(dòng)情況;流體未進(jìn)入彎曲段時(shí),各斷面流速分布變化不大;而進(jìn)入彎曲段后,由于受到彎管壁的約束形成旋轉(zhuǎn)流動(dòng),彎管內(nèi)側(cè)流速增大,外側(cè)流速降低;當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)60°位置后,彎管內(nèi)側(cè)流速降低,外側(cè)流速增加;到達(dá)90°位置后,各斷面的流速基本趨于一致。不同半徑處的流速分布不相同,彎管內(nèi)側(cè)流速較大,外側(cè)較小,在50°、60°處流速達(dá)到最大值;彎管不同的進(jìn)口流速對(duì)于速度峰值的位置有一定的影響,而對(duì)于彎管內(nèi)其他的流動(dòng)情況影響較小。

90°方形彎管;粒子圖像測(cè)試;流場(chǎng)分析;雙葉片泵

在石油、化工、水利等領(lǐng)域中,常用彎管來(lái)實(shí)現(xiàn)流體的輸運(yùn)以及熱量和質(zhì)量的傳遞。彎管內(nèi)流體的流動(dòng)受到諸多因素的影響,尤其是在來(lái)流速度變化時(shí),彎管內(nèi)的流場(chǎng)呈現(xiàn)出十分復(fù)雜的流動(dòng)特性,如在管壁附近形成分離區(qū),管道橫截面上產(chǎn)生二次流動(dòng),這些現(xiàn)象不僅造成流體總壓和能量損失而導(dǎo)致熱量、質(zhì)量交換效率降低,而且還會(huì)產(chǎn)生較大的流動(dòng)噪聲,所有這些流動(dòng)現(xiàn)象都會(huì)造成管內(nèi)流體能量的損失,因而對(duì)水力機(jī)械過(guò)流部件的效率有著重要影響,故彎管內(nèi)的流體流動(dòng)一直受到研究者的關(guān)注[1-6]。

Kliafas等[7]應(yīng)用非接觸激光測(cè)量方法對(duì)90°方形彎管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了研究,測(cè)量了90°方形管道從豎直到水平段內(nèi)的流動(dòng)情況。徐俊等[8]利用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)測(cè)量了180°矩形彎管的流場(chǎng),獲得了流場(chǎng)的時(shí)均流速、湍流強(qiáng)度等數(shù)據(jù),給出了180°矩形彎管時(shí)均切向流速、時(shí)均軸向流速和湍流強(qiáng)度沿周向和軸向的分布曲線。杜彩虹等[9]利用智能型五孔球探針測(cè)量了180°矩形彎管的流場(chǎng),同時(shí)利用FLUENT流體計(jì)算軟件,采用Realizable k-ε湍流模型對(duì)彎管的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并重點(diǎn)考察了切向速度和壓力的變化。趙懿等[10]采用二維激光多普勒測(cè)速儀和五孔探針測(cè)得4片90°彎管Z形組合在不同彎管間距下水流特征斷面上的三維流場(chǎng)、壓力分布以及紊動(dòng)特性的沿程變化等,并探討了雙彎管局部阻力相鄰影響的機(jī)理。謝龍等[11]利用激光粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry, PIV)對(duì)閥體后90°圓截面彎管的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,分別在不同閥體開(kāi)度和流速工況下測(cè)得了彎管內(nèi)大量高分辨率瞬態(tài)速度場(chǎng)數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究了時(shí)均速度場(chǎng)、流線圖譜及渦量場(chǎng)等相關(guān)流場(chǎng)特征。

關(guān)于90°方形彎管在不同流速情況下彎管內(nèi)的流動(dòng),無(wú)論是理論研究還是試驗(yàn)研究都較少見(jiàn),至今鮮有關(guān)于90°方形彎管內(nèi)三維紊流流場(chǎng)的研究報(bào)道,而這類(lèi)彎管在工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用卻十分廣泛,為此,本文結(jié)合某工程實(shí)際問(wèn)題,對(duì)前端配置雙葉片泵的90°方形彎管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

1.1 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)造

圖1為90°方形彎管試驗(yàn)裝置示意圖。測(cè)試設(shè)備主要有變頻控制柜、三相異步電機(jī)、電磁流量計(jì)等。試驗(yàn)時(shí),通過(guò)變頻控制柜對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,流量由電磁流量計(jì)測(cè)得。

圖1 90°方形彎管試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用彎管結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了便于PIV測(cè)量,彎管采用有機(jī)玻璃鑄造,有機(jī)玻璃質(zhì)地均勻,無(wú)氣泡、雜質(zhì),各個(gè)表面拋光處理,粗糙度達(dá)到3.2級(jí)。90°方形彎管的具體參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 90°方形彎管參數(shù)

1.2 PIV測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)采用美國(guó)TSI公司產(chǎn)的商用PIV系統(tǒng),主要包括:YAG200-NWL型脈沖激光器(單脈沖能量為200 mJ)、630059 POWERVIEW型4MP跨幀CCD相機(jī)(分辨率為2048像素×2048像素)、Insight 3G圖像采集及分析系統(tǒng)(其查問(wèn)區(qū)最小可達(dá)4像素× 4像素)、610035型同步器、用于將同步觸發(fā)信號(hào)傳送給同步器的同步觸發(fā)控制器主機(jī)和光纖傳輸轉(zhuǎn)換器、610015型光臂、片光源透鏡組等.

圖2 90°方形彎管結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 測(cè)試方案

PIV測(cè)量截面為沿主流方向,測(cè)量區(qū)域?yàn)閺澒芏?。試?yàn)共測(cè)量1 m/s和2 m/s兩個(gè)不同的進(jìn)口流速(通過(guò)出口閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量從而改變彎管進(jìn)口流速),且在每個(gè)流速下,測(cè)量6個(gè)斷面,分別為距彎管中間斷面10 mm、20 mm以及30 mm的斷面(兩側(cè)對(duì)稱(chēng)),為便于標(biāo)記,以彎管進(jìn)口方向最左邊平面為基準(zhǔn)(z=0 cm),則6個(gè)斷面分別記為z=10 mm、20 mm、30 mm、50 mm、60 mm、70 mm。

1.4 測(cè)試步驟

通過(guò)變頻器將模型泵轉(zhuǎn)速調(diào)到1 000 r/min,并通過(guò)出口閥門(mén)改變流量,測(cè)量流場(chǎng),依次重復(fù)直至完成所有方案的測(cè)量。具體試驗(yàn)步驟如下:

a.連好線后打開(kāi)計(jì)算機(jī)、同步器、激光器等。

b.啟動(dòng)模型泵,調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速為1000 r/min。

c.調(diào)節(jié)激光的光腰,使其在測(cè)量區(qū)域中心附近,并使片光面與測(cè)量斷面重合。

d.添加示蹤粒子,控制粒子濃度。

e.調(diào)節(jié)相機(jī)焦距,使拍攝的圖片清晰,粒子微微曝光。

f.調(diào)節(jié)出口閥門(mén),使模型泵輸出流量為23 m3/h(對(duì)應(yīng)彎管進(jìn)口平均流速為1m/s)。

g.在Insight 3G中設(shè)置試驗(yàn)參數(shù),拍攝零時(shí)刻的100組流場(chǎng)圖像并保存。

h.調(diào)節(jié)出口閥門(mén),使模型泵輸出流量為46 m3/h(對(duì)應(yīng)彎管進(jìn)口平均流速為2m/s),重復(fù)步驟g。

i.試驗(yàn)結(jié)束,對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行處理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 徑向流速分布

圖3給出了進(jìn)口平均流速為1 m/s時(shí),z=30 mm斷面各個(gè)位置上的時(shí)均流速分布曲線,可以看出,對(duì)于同一斷面而言,當(dāng)流體未進(jìn)入彎曲段,即在xH= 1056mm和θ=0°時(shí),彎管內(nèi)流速分布變化不大;而在流體進(jìn)入彎曲段后,流速分布開(kāi)始逐漸發(fā)生變化,彎管內(nèi)側(cè)流速逐漸增大,最大值在徑向中心線上r*=0.9附近,數(shù)值約為1.2 m/s,外側(cè)流速逐漸減小,這種變化趨勢(shì)延續(xù)到θ=60°處達(dá)到最大值,此時(shí),彎管內(nèi)側(cè)流速開(kāi)始減小,外側(cè)切向流速逐漸增大,流速的峰值由內(nèi)壁向中心r*=0.5處移動(dòng),隨著θ繼續(xù)增大,流速的峰值繼續(xù)向外壁移動(dòng),而近外壁的流速繼續(xù)升高,θ=90°處不同斷面的流速變化較小,基本趨于一致。對(duì)于不同斷面,流速分布情況略有區(qū)別,說(shuō)明彎管各個(gè)斷面內(nèi)流速分布情況并不一致,存在一定的波動(dòng),從而導(dǎo)致不同斷面流速分布出現(xiàn)差異。

圖4為進(jìn)口平均流速為2 m/s時(shí),z=20 mm和z=60 mm斷面上的時(shí)均流速分布情況,可以看出,當(dāng)流體未進(jìn)入彎曲段,即在xH=1 056 mm和θ=0°時(shí),流速分布變化不大,且相互對(duì)稱(chēng)斷面(z=20 mm與z=60 mm關(guān)于彎管中間斷面對(duì)稱(chēng))的流動(dòng)情況基本相同;流體進(jìn)入彎曲段后,對(duì)稱(chēng)斷面流速分布出現(xiàn)了一些差異,這是因?yàn)榱黧w進(jìn)入彎管之后就為旋轉(zhuǎn)流動(dòng),使得從θ=0°到θ=90°之間不同斷面的流速方向發(fā)生變化,流體進(jìn)入彎管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)二次流動(dòng),影響了不同斷面上流速的分布。

2.2 不同半徑流速分布

圖5為進(jìn)口平均流速為1m/s時(shí),不同半徑上(指相同截面不同r時(shí)的流速變化情況)的時(shí)均流速分布曲線,可以看出,由于流體運(yùn)動(dòng)受到彎管曲率和離心力的影響,導(dǎo)致徑向壓力分布不均勻,形成徑向壓力梯度,導(dǎo)致切向流速在徑向上分布不均勻。此外,由于彎管壁面存在黏性層和摩擦阻力的影響,使壁面附近的切向流速急劇減小,而主流方向流速增加。彎管外側(cè)所受壓力較大,且具有較大的離心力,故切向速度較大,主流方向流速相對(duì)較小,而在θ=50°、60°處的流速的變化趨勢(shì)達(dá)到最大值,即彎管內(nèi)側(cè)流速最大,外側(cè)最小,之后主流流體由于離心力作用向彎管外側(cè)靠近,內(nèi)側(cè)與外側(cè)流速也開(kāi)始相應(yīng)發(fā)生變化。

2.3 不同斷面流場(chǎng)分布

彎管內(nèi)不同斷面的流動(dòng)特征如圖6和圖7所示,可見(jiàn),無(wú)論在何種進(jìn)口流速情況下,彎管出口的直線段靠近彎管內(nèi)側(cè)處存在低速區(qū),這是由于在彎曲區(qū)域離心力的作用下,使器壁附近的切向流速急劇減小,且彎管內(nèi)側(cè)表面附近的切向流速分布也發(fā)生較大的變化。此外,整個(gè)拍攝區(qū)域的彎管外側(cè)近壁處附近區(qū)域內(nèi)存在低速區(qū),且不同斷面的高速區(qū)面積有較大差異。

圖3 z=30 mm斷面沿主流方向的時(shí)均流速分布

圖4 z=20 mm和z=60 mm斷面沿主流方向的時(shí)均流速分布

圖5 不同半徑時(shí)均流速分布

圖6 進(jìn)口平均流速1 m/s時(shí)彎管內(nèi)不同斷面流動(dòng)特征(單位:m/s)

圖7 進(jìn)口平均流速2 m/s時(shí)彎管內(nèi)不同斷面流動(dòng)特征(單位:m/s)

3 結(jié) 論

a.流體進(jìn)入彎曲段后,彎管內(nèi)側(cè)流速逐漸增大,最大值在徑向中心線上r*=0.9附近,數(shù)值約為1.2 m/s,外側(cè)流速逐漸減小,這種變化趨勢(shì)延續(xù)到θ=60°處達(dá)到最大值;此后彎管內(nèi)側(cè)流速開(kāi)始減小,外側(cè)切向流速逐漸增大,流速的峰值由內(nèi)壁向中心r*=0.5處移動(dòng),隨著θ繼續(xù)增大,流速的峰值繼續(xù)向外壁移動(dòng),而近外壁的流速繼續(xù)升高,到θ=90°處不同斷面的流速變化較小,基本趨于一致。

b.彎管內(nèi)側(cè)流速最大,外側(cè)最小,且在θ=50°、60°處流速的變化趨勢(shì)達(dá)到最大值。

c.彎管不同的進(jìn)口流速對(duì)于流速峰值的位置有一定的影響,而對(duì)于彎管內(nèi)其他的流動(dòng)情況影響較小。

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PIV experiment of inner flow field in 90°bending ducts with square section

//MA Haochen1,DAI Cui2,DONG Liang2,WU Xianfang2(1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang212013,China;2.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhenjiang212013,China)

In order to reveal the internal flow characteristics of a 90°bending duct with square section at different inlet velocities,PIV measurements of velocity distribution were carried out for bending ducts at different sections and radii.The experimental results suggest that the flow behavior within a bending duct can be measured by PIV.Velocity profiles vary little before the fluid entering the bending section.Rotating flow forms due to the restraint of the bending wall when the fluid enters the bending section,resulting in a velocity increase at the inner wall of the bending duct and a velocity decrease at the outer wall of the bending duct.On the contrary,the velocity decreases at the inner wall of the bending duct and increases at the outer wall of the bending duct when the fluid passes through 60°.Flow velocity tends to be uniform when the fluid passes through 90°.Velocity profile was different with different radius and the velocity near the inner wall is higher than that near the outer wall.Maximum velocity occurs at 50°and 60°,and its location is found to be dependent on the inlet velocities and independent on other flow characteristics in the bending duct.

90°bending duct with square section;particle image velocimetry;flow analysis;double-blade centrifugal pump

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.007

TV131.4

A

10067647(2013)05003104

20121109 編輯:熊水斌)

國(guó)家自然科學(xué)基金(51179075);江蘇省工業(yè)科技支撐計(jì)劃(BE2012131);江蘇省研究生創(chuàng)新計(jì)劃(CXZZ12_0680);江蘇大學(xué)高級(jí)人才啟動(dòng)基金(12JDG082)

馬皓晨(1975—),女,江蘇海安人,講師,碩士,主要從事泵內(nèi)流測(cè)試研究。E-mail:mahaochen@gmail.com