排氣管系三分支接頭內(nèi)部流場的PIV測試研究

汪文輝, 陸振華, 劉 勝, 鄧康耀, 崔 毅

(1. 上海交通大學 動力機械及工程教育部重點試驗室, 上海 200240; 2. 中國北方發(fā)動機研究所, 山西 大同 037036)

0 引 言

管道分支結(jié)構(gòu)在流體工程領域有著極為廣泛的應用，常見于內(nèi)燃機、航空和核工業(yè)等能源工程領域的流體管道輸運系統(tǒng)中，其內(nèi)部流動特性研究對于工程設計具有重要的指導意義。與直管和彎管中的流動相比，分支接頭處流動呈現(xiàn)十分復雜的流動特性。管壁附近的分離區(qū)，管道橫截面上產(chǎn)生的二次流動，不同速度流的紊流混合、沖擊擠壓等現(xiàn)象不僅形成了使流動的阻力增大的局部阻障區(qū)，也造成了局部流動壓力的損失和能量的耗散。因此，研究人員對分支接頭內(nèi)部的流動進行了多方面的研究[1-8]。

理論計算方面，文獻[2-3]采用k-ω湍流模型對90° T型分支接頭中的流動進行了數(shù)值研究，揭示了接頭內(nèi)部軸截面的速度分布及壓力分布，并對壓力損失的影響進行了理論分析。文獻[4-6] 基于對分支接頭物理流動模型假定，經(jīng)理論推導后，得出了不同流型的壓力損失系數(shù)計算公式；但是在推導過程中，流動模型中的分界流線的假定有待試驗驗證，且接頭中的流體都被假定為不可壓縮流體，其壓力損失系數(shù)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定差距。

隨著光學測量技術的發(fā)展，粒子圖像測速技術(PIV技術)被逐漸應用于分支接頭內(nèi)部流動的研究中。文獻[7-8]采用PIV對流體介質(zhì)為液體的微型T型分支接頭內(nèi)部的流場進行了PIV測試，主要測量分析了流動區(qū)域的混合情況，又通過μ-PIV和μ-LIF(Laser-Induced Fluorescence)測量了T型三通液體之間的混合情況，分析了其流動混合過程，并解釋了其流動機理。

已有文獻的研究主要關注于不可壓縮流、直角T型分支接頭流動的研究，對可壓縮流，斜T型接頭的流動研究較少。針對這種情況，結(jié)合相關研究，本文采用PIV測試技術，對定結(jié)構(gòu)參數(shù)的斜T型三分支管接頭在不同流動參數(shù)下的接頭內(nèi)部高速氣流流場進行測試。

1 試驗測試

本研究涉及的試驗裝置包括管路系統(tǒng)裝置、試驗測試段和PIV測試系統(tǒng)裝置。圖1為三分支接頭流動試驗臺架布置示意簡圖。圖中綠框區(qū)域為PIV測試區(qū)域。壓氣機用1個電機帶動，電機額定功率為400kW，壓氣機額定流量8000m3/h標準狀態(tài)空氣。為了防止在試驗時壓氣機發(fā)生喘振，壓氣機后安裝一個放氣閥?？偣芏魏椭Ч芏魏蠓謩e安裝有質(zhì)量流量傳感器，用來測量進入管接頭不同支管的氣體流量。流量控制閥為閘閥，通過改變閥門的升程來調(diào)節(jié)不同支路的流量。在接頭連接的3個管段上，分別安裝溫度、壓力以及壓差傳感器，用來測量氣體溫度和壓力(各傳感器參數(shù)見表1)。背壓閥安裝在分支接頭的后面，用來調(diào)節(jié)流出端的背壓。

圖1 分支接頭流動試驗臺架布置簡圖

試驗測量段結(jié)構(gòu)如圖2所示，斜T型接頭的分支夾角為45°，支管段與主管段的內(nèi)徑均為D=50mm，分支夾角的交界點處以及支管的轉(zhuǎn)角處都為銳角邊緣。測試的流型為流型6(見圖2(a))，兩股均勻射流在接頭內(nèi)交匯混合產(chǎn)生復雜的流動特征。試驗的測量區(qū)域取在接頭連接處的控制體區(qū)域[6]，如圖2(a)中陰影部分所示。試驗測量段的拍攝截面以接頭區(qū)域的軸截面為測試截面。圖2(b)為試驗段有機玻璃視窗的實物圖，激光由激光器發(fā)出，經(jīng)過導光臂，發(fā)出片光，自上而下垂直透過測試窗口，這里片光透過的區(qū)域位于視窗的中線(自外向里)，目的是為了獲得接頭軸截面區(qū)域的流場；片光區(qū)域中接頭內(nèi)的示蹤粒子反射光線，CCD攝像機垂直正對測試區(qū)域進行拍攝，獲取流場數(shù)據(jù)。

(a) 流場測試區(qū)域示意圖(流型6)

本試驗為冷態(tài)(溫度不超過60℃)的氣體流場，且流速較快，示蹤粒子的消耗量巨大。測試采用空心玻璃微珠作為示蹤粒子，粒徑為30μm。試驗的氣源由電機驅(qū)動的壓氣機提供，由于管路內(nèi)氣體流速較快，采用空氣壓縮機將示蹤粒子噴入流場內(nèi)。在測試段前端的管路上，安裝連接示蹤粒子發(fā)生裝置。示蹤粒子進入流場的位置距離測量段較遠，添加示蹤粒子對流場幾乎不構(gòu)成影響。為了同時測量流動的壓力損失，通過編程，開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在PIV測試試驗時，傳感器的輸出信號同步采集，采樣頻率為1kHz。對于粒子的跟隨性問題，這里以BBO方程為基礎，利用粒子和氣流速度的Fourier積分來計算粒子與氣流速度的幅值比和相位差[9]。經(jīng)過計算和測試驗證，在試驗測試的速度范圍內(nèi)，試驗所采用的粒子具有良好的跟隨性和光散射性且分布均勻，滿足試驗要求。

PIV測量系統(tǒng)是基于Dantec公司生產(chǎn)的PIV 2100系統(tǒng)構(gòu)建的。其主要部件為：雙諧振脈沖式Nd:YAG激光器(最大工作頻率10Hz)、高分辨率CCD相機、同步時序控制器Timer Box 80N75以及配套的PIV應用軟件(Dynamics)。激光器片光源厚度小于1mm，沿測試窗口軸截面透射入測試區(qū)。相機分辨率為2048×2048像素，快門延時100μs，相機鏡頭通過二維坐標架來實現(xiàn)橫向和縱向位移的精確控制調(diào)節(jié)。測試前，采用測試軟件通過對標定尺進行圖像標定，完成測試段圖像尺寸與實際尺寸的轉(zhuǎn)換。由于在強脈沖激光作用下，測試區(qū)域中流場的近壁面會受到固體壁面強烈散射光的影響，該區(qū)域粒子的反射光被強激光的散射光所掩蓋。為了克服這一問題，試驗前對測試窗口進行區(qū)域遮蓋，同時CCD相機成像時采用長波濾色鏡片。這樣壁面的散射光透過濾色片后，強激光的反射和折射影響得以消除，保證了近壁面以及夾角區(qū)域附件流場的較好測量。同步采集的圖像采用互相關圖像分析高斯擬合方法，計算結(jié)果可達±0.1像素的亞像素精度[10]，在圖像分析處理時，采用多重自適應變形窗口算法，并對矢量場進行相干性過濾及局部流場的有效性判定，處理分析后的數(shù)據(jù)真實地反映了采集圖像所記錄的實際流動信息。

流場測試的工作流程為：通過PIV軟件發(fā)出采集命令，由激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過片光元件轉(zhuǎn)換為片光源透射入測試區(qū)域；同時，CCD相機同步采集測試區(qū)域中示蹤粒子散射光形成的圖像；連續(xù)曝光的圖像經(jīng)由軟件處理分析，得到測試數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1三分支接頭內(nèi)部的流動特征

圖3為三分支接頭內(nèi)部中心截面流場的速度矢量圖及流線圖譜。從速度矢量圖中可以看出，流動的典型特征為兩股氣流進入接頭區(qū)域中，經(jīng)過交匯混合，從出流管端流出。兩股氣流在接頭內(nèi)壁的約束作用下均發(fā)生一定的轉(zhuǎn)向(小于分支夾角)，越靠近氣流匯合分界處轉(zhuǎn)向角度越大。流場中分界流線交匯處未觀測到大尺度的漩渦和回流，這是由于兩股氣流流速相差不大，不能引起強烈的剪切流動。

在該工況下，由速度分布圖可見，速度沿流線逐漸增大，在出流管端的區(qū)域存在較大的速度梯度。峰值速度出現(xiàn)在出流管端轉(zhuǎn)角點的貼壁處，高速區(qū)域的面積較小，沿流線方向面積較大的區(qū)域為中速區(qū)，且分布較為均勻；在分支夾角的交界處以及轉(zhuǎn)角前緣處出現(xiàn)低速區(qū)，由此可推測這些區(qū)域(圖3(b)中紅色圓圈處)存在不易觀測的渦旋和回流；從流線圖來看，各層流線在入流端和靠近壁面外側(cè)的區(qū)域分布較為均勻，在兩股氣流的交匯分界處和出流管端的中部，流線較為緊密，這主要是因為兩股流體相互擠壓收縮而形成。

(a) 速度矢量圖

(b) 速度分布云圖及流線圖

2.2支管與總管流量比的影響

從圖4中可以看出，當q為0時，即支管無氣流流入，主管形同直管流動，此時由于支管的總壓小于總管的總壓，所以Kbc(支管端與總管端的總壓損失系數(shù))為負值；隨著q的增大，即支管的動壓增大，支管與總管的差值也逐漸增加，總壓損失系數(shù)在數(shù)值上也隨之增加；當q=1，Ma=0.59時，總壓損失系數(shù)為0.52，即此時三分支接頭的總壓損失達到出流管端動壓的一半。將圖4中總壓損失系數(shù)的變化曲線擬合成流量比及馬赫數(shù)的函數(shù)表達式為(r為相關系數(shù))：

Ma=0.13，Kbc=-1.63q2+2.0832q-0.7757

(r2=0.9983)

Ma=0.31，Kbc=-1.79q2+2.9232q-0.7716

(r2=0.9694)

Ma=0.59，Kbc=-1.69q2+2.8481q-0.6642

(r2=0.9728)

圖4 流量比及馬赫數(shù)對總壓損失系數(shù)的影響

q=0q=0.25

q=0.5 q=0.75

q=1

圖5給出了Ma=0.31 時，不同流量比工況下接頭軸截面的速度矢量圖。當q為0時，主管形同直管流動，而少量氣流由于夾角處的流通面積突然增大，在支管中分離而形成了大尺度回流區(qū)。隨著q增大，回流區(qū)消失，支管氣流的平均速度逐漸增大，支流對主流的阻滯作用增強，射流穿入主流的深度也隨之增加，同時兩股氣流交匯處分界線呈逐漸偏移的趨勢。支管中的氣流由于壁面約束導致流向改變，由于主管中的流速相對較高，流動的慣性作用較強，支管氣流的轉(zhuǎn)向角度不大。q為0.5時，氣流交匯處分界線到達出流端的中心軸線處。當支管流速大于主管時，主管氣流也出現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)向。在q接近1時，即為折彎管流動，主管中出現(xiàn)大尺度渦旋，此時流動具有很強的紊動性，同時支管氣流已經(jīng)可以撞擊管壁，壓力損失最大(見圖4)。對比分析均出現(xiàn)渦旋的流量比為0和1的矢量圖以及壓力損失曲線圖，可以推測認為沖擊損失是接頭壓力損失的重要部分。此外測試還發(fā)現(xiàn)，當流量比q在0.1～0.9范圍內(nèi)時，接頭內(nèi)部軸截面未觀測到大尺度回流或漩渦存在。

2.3流出管端馬赫數(shù)的影響

由于射流緊縮現(xiàn)象，綜合實驗臺條件，本試驗對3種不同流出端馬赫數(shù)時的接頭內(nèi)部流場工況進行了PIV測試，通過控制進氣總流量來分析其對接頭內(nèi)部流場的影響。即Ma=0.13、0.31和0.59。由圖4可以看出，出流管端的馬赫數(shù)對接頭的總壓損失有著一定的影響。Ma=0.13和0.31時的總壓損失系數(shù)幾乎相同，這主要是由于馬赫數(shù)增至0.3時，總壓損失的增幅和流出端總壓與靜壓差值的增幅相當。所有測試工況中，流出端的雷諾數(shù)Re均大于105，故流動摩擦的影響相對而言可忽略[11-12]。

表2給出了q=0.5時，分支接頭一種流徑的總壓損失系數(shù)和靜壓損失系數(shù)的測試結(jié)果。從表中可以看出，隨著馬赫數(shù)的增加，靜壓損失系數(shù)也增加，這是由于流體的壓縮性改變了接頭內(nèi)部壓力梯度的分布。同時也表明總壓損失系數(shù)與靜壓損失系數(shù)的變化趨勢不同，不能僅以一種參數(shù)值的變化來描述接頭內(nèi)部的流動特征。

表2 q=0.5時馬赫數(shù)對壓力損失的影響

比較q=0.5時，Ma=0.13、0.31和0.59時接頭內(nèi)部軸截面的速度分布及流線圖(見圖6)，可以發(fā)現(xiàn)，速度沿流線逐漸增大，且馬赫數(shù)越大，速度梯度越大；高、中及低速區(qū)的速度分布可認為相同，低速區(qū)也都出現(xiàn)于分支夾角的交界處以及轉(zhuǎn)角前緣處。這是因為匯合流時，接頭入流端的靜壓數(shù)值上幾乎相等[6]，結(jié)合本測試的入端溫度也相等，致使氣流的壓縮性對接頭內(nèi)流場分布的影響有限，通過測試結(jié)果可認為不可壓縮流與可壓縮流時接頭內(nèi)部流體的高低速度區(qū)分布一致。從流線圖來看，不同馬赫數(shù)工況下，接頭上游的流線分布較均勻，下游流線均出現(xiàn)流動收縮，在兩股氣流的交匯分界處和出流管端的中部，流線也都較為緊密，形成的流線分界線的偏移位置都位于流出端的相同位置?；诖?，流動模型中的分界流線的假定[13]對于試驗條件下的亞音速流也適用，當然對于其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的三分支亞音速流動仍有待試驗驗證。

Ma=0.13

Ma=0.31

Ma=0.59

3 結(jié) 論

從三分支接頭內(nèi)部流場的PIV的測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1) 流型6時，在兩股氣流的相互作用下，接頭內(nèi)部流場存在明顯的流線收縮，形成的分界流線將接頭分為兩個區(qū)域。測試結(jié)果驗證了分界流線的勢流理論，且對于可壓縮流此理論假定仍適用；

(2) 氣流參數(shù)影響接頭內(nèi)部的流動特性。支管和總管流量比、流出端馬赫數(shù)將影響接頭內(nèi)部的流動，從而影響接頭局部的速度分布，繼而決定了壓力損失的變化。其中，總壓損失隨流量比的增大而增大。馬赫數(shù)對總壓損失系數(shù)的影響，取決于總壓損失的增幅和流出端總壓與靜壓差值的增幅之比的變化。

(3) 當其他參數(shù)一定時，隨著支管和總管流量比的增大，接頭區(qū)域形成的分界流線逐漸向主管底部偏移。而流出段馬赫數(shù)對速度分布及分界流線的位置幾乎無影響。

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作者簡介:

汪文輝(1984-)，男，安徽安慶人，博士生。研究方向：內(nèi)燃機增壓及性能研究。通信地址：上海市閔行區(qū)東川路800號機械與動力工程學院C樓312室(200240)。E-mail:wwh328@sjtu.edu.cn