集沙儀等動(dòng)力特性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

劉 江

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

集沙儀等動(dòng)力特性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

劉 江

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

為研究氣固兩相流組成結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)式楔形集沙儀,用于測(cè)量氣流中攜帶的固體顆粒物含量.利用PIV光學(xué)測(cè)量手段,在邊界層風(fēng)洞中對(duì)其進(jìn)行了等動(dòng)力特性研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:集沙儀對(duì)環(huán)境流場(chǎng)的影響主要集中在床面區(qū)域,隨著高度的增加,影響逐漸減弱并趨于穩(wěn)定.綜合各高度數(shù)據(jù),顯示該儀器具有良好的等動(dòng)力特性,適宜于在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中測(cè)量氣固兩相流結(jié)構(gòu).

氣固兩相流; 集沙儀; 等動(dòng)力特性

風(fēng)沙流是指含有沙粒的氣固兩相運(yùn)動(dòng)氣流,一般將氣流中所攜帶的沙粒在搬運(yùn)層內(nèi)的高度分布,稱為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu).而風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)中輸沙率和輸沙通量廓線是其最為重要的參數(shù).集沙儀以其簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn),成為研究風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)的主要測(cè)量?jī)x器.1941年,Bagnold開(kāi)始設(shè)計(jì)使用垂直集沙儀,研究風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)機(jī)理.基于野外觀測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果建立的風(fēng)速與輸沙率之間的關(guān)系取決于直接獲取的輸沙通量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,因此集沙儀的可靠性就顯得尤為重要[1].

集沙儀是一種放置于流場(chǎng)中的直接測(cè)量?jī)x器,它會(huì)對(duì)進(jìn)入其內(nèi)部的氣流產(chǎn)生阻礙,同時(shí)也會(huì)干擾附近流場(chǎng).合格的集沙儀應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)正確的標(biāo)定和校準(zhǔn),因此各種形式集沙儀的測(cè)量精度也引起眾多研究者的關(guān)注[2].文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]對(duì)多種常見(jiàn)集沙儀的測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明:不同類型的集沙儀,其集沙效率存在極大差異,且同一集沙儀在不同高度上的集沙效率也不同.一般情況下,近床面區(qū)域的集沙效率較低,遠(yuǎn)離床面的集沙效率逐漸增大.單管式集沙儀的集沙效率為65%～95%;傳統(tǒng)垂直集沙儀和階梯式集沙儀的集沙效率為15%～85%.值得注意的是,集沙儀的結(jié)構(gòu)造型不同也會(huì)造成集沙效率的差異,且來(lái)流風(fēng)速和沙粒的運(yùn)動(dòng)特性變化也會(huì)造成集沙效率的差異.因此,設(shè)計(jì)對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)小、成本低廉、集沙效率高的集沙設(shè)備,合理準(zhǔn)確標(biāo)定所用集沙儀,是風(fēng)沙流研究的重要基礎(chǔ)和前提條件.

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)沙流場(chǎng)中風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的測(cè)量,本文設(shè)計(jì)了一種垂直型被動(dòng)式楔形集沙儀,通過(guò)風(fēng)洞系統(tǒng)配合PIV光學(xué)測(cè)量手段,對(duì)集沙儀進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn),重點(diǎn)分析了其等動(dòng)力特性.

1 集沙儀設(shè)計(jì)原則

為了保證集沙儀的精確性,提高集沙效率,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循等動(dòng)力性原則[3,6],即通過(guò)進(jìn)沙口的瞬時(shí)風(fēng)速應(yīng)當(dāng)?shù)扔谶M(jìn)沙口流線上游風(fēng)速.等動(dòng)力性采樣保證了集沙儀不會(huì)干擾進(jìn)沙口處流場(chǎng),能夠提供更準(zhǔn)確的流向輸沙通量測(cè)量.同時(shí),等動(dòng)力性能夠保證集沙儀具有更好的粒徑非選擇性,盡可能保證收集到的沙粒粒徑組成與實(shí)際待測(cè)沙粒粒徑組分相同.對(duì)于被動(dòng)式集沙儀而言,該原則可通過(guò)合理設(shè)計(jì)流線型構(gòu)造近似實(shí)現(xiàn).

此外,集沙儀應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)緊湊,且具有流線型結(jié)構(gòu),以保證盡可能小地干擾流場(chǎng)結(jié)構(gòu).同時(shí),能夠容許一些小的床面形態(tài)(如沙波紋)的存在,能夠順暢地進(jìn)入進(jìn)沙口內(nèi).

2 集沙儀設(shè)計(jì)及制造

目前,風(fēng)沙流研究中廣泛使用的有直立式集沙儀、階梯式集沙儀和楔形集沙儀.對(duì)3類集沙儀進(jìn)行野外測(cè)試[6],分析結(jié)果表明:直立式集沙儀的集沙量一般為楔形集沙儀集沙量的38%～63%,階梯式集沙儀的集沙量為楔形集沙儀的58%～84%.相比于其他兩種集沙儀,楔形集沙儀能夠更好地反映近地面集沙量隨高度的分布規(guī)律.楔形集沙儀的結(jié)構(gòu)特征決定了其相對(duì)于其他兩類集沙儀無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì):首先,采用流線構(gòu)造,使其內(nèi)部產(chǎn)生文丘里效應(yīng),使得風(fēng)沙流能夠在受阻較小的條件下進(jìn)入集沙儀內(nèi);其次,集沙儀背部采用透氣性能良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),大大降低了氣流阻力.因此,本文選定楔形集沙儀進(jìn)行輸沙量的測(cè)量.

楔形集沙儀最早是在1982年由GREELEY R等人[7]設(shè)計(jì)形成,本文使用的結(jié)構(gòu)是在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)條件改造而來(lái)的.集沙儀主體結(jié)構(gòu)采用0.5 mm厚鍍鋅鐵皮制作,設(shè)計(jì)為流線型結(jié)構(gòu)以減小風(fēng)阻,主要包括入口段、收集段和排氣段.當(dāng)應(yīng)用于野外環(huán)境時(shí),可加裝風(fēng)向標(biāo)和可旋轉(zhuǎn)底座.

集沙儀高度選擇應(yīng)當(dāng)考慮兩個(gè)因素:一是實(shí)驗(yàn)?zāi)康?本次實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)躍移層內(nèi)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu).吳正等人的研究認(rèn)為,距地面30 cm范圍可包含97%以上的沙粒運(yùn)動(dòng).二是滿足風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要求.邊界層風(fēng)洞的垂直高度為50 cm,集沙儀放入其中應(yīng)保證氣流阻塞比符合基本要求.因此,楔形集沙儀高度設(shè)計(jì)為32 cm,入口段設(shè)置16個(gè)2 cm×2 cm進(jìn)沙口.收集段設(shè)計(jì)為32°楔形角的梯形結(jié)構(gòu),通過(guò)增大通道截面積降低運(yùn)動(dòng)顆粒速度,使得沙粒逐漸沉降,達(dá)到收集目的.排氣段為網(wǎng)狀排氣裝置,根據(jù)實(shí)測(cè)地點(diǎn)沙粒組分結(jié)構(gòu),選擇安裝50 μm銅網(wǎng),以保證空氣可順利排出并截留風(fēng)沙流中的顆粒物質(zhì),減小氣流阻力.集沙儀基本構(gòu)造如圖1所示.

3 集沙儀性能標(biāo)定

STOUT J E和FRYREAR D W[8]的野外工作和實(shí)驗(yàn)研究證明,為使集沙儀獲得良好的性能,應(yīng)當(dāng)滿足等動(dòng)力性、高效率性和粒徑非選擇性.根據(jù)上述分析可知,在集沙儀設(shè)計(jì)過(guò)程中,這3條原則是緊密相關(guān)的,而且只有集沙儀滿足等動(dòng)力特性,才能保證對(duì)附近環(huán)境流場(chǎng)擾動(dòng)最小,同時(shí)避免扭曲進(jìn)入集沙儀內(nèi)部的風(fēng)沙流流動(dòng)結(jié)構(gòu),從而保證高效率性和粒徑非選擇性.因此,集沙儀設(shè)計(jì)必須首要滿足等動(dòng)力性,然后可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試采集效率以及粒徑非選擇性,最終得到性能優(yōu)良的集沙設(shè)備.實(shí)驗(yàn)所選楔形集沙儀結(jié)構(gòu)的采集效率和粒徑非選擇性已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,獲得了確定性結(jié)論[6].根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,本文的性能標(biāo)定主要針對(duì)集沙儀的等動(dòng)力特性.

圖1 楔形集沙儀結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)量系統(tǒng)

風(fēng)洞內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置如圖2所示.風(fēng)洞第1實(shí)驗(yàn)段用于發(fā)展形成實(shí)驗(yàn)所需模擬的邊界層結(jié)構(gòu),第2實(shí)驗(yàn)段用于測(cè)量.風(fēng)洞第2實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)、寬、高尺寸為2.4 m×0.6 m×0.5 m.集沙儀放在距第2實(shí)驗(yàn)段入口處46.5 cm處,位于風(fēng)洞中軸線上.

圖2 集沙儀等動(dòng)力性PIV測(cè)試

PIV系統(tǒng)用以記錄流場(chǎng)速度信息.光源為Nd:YAG雙脈沖激光器,波長(zhǎng)為532 nm的綠光,單脈沖持續(xù)時(shí)間10 ns,脈沖能量最大為120 mJ.選擇合適的透鏡組合,形成激光片光透過(guò)風(fēng)洞頂部透明光學(xué)玻璃入射照亮拍攝區(qū)域.CCD相機(jī)采用Power View 2M,分辨率為1 600×1 200 pixel2.風(fēng)洞入口段使用發(fā)煙器撒播示蹤粒子.PIV系統(tǒng)的測(cè)量頻率為10 Hz.

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

等動(dòng)力性標(biāo)定開(kāi)始前,在風(fēng)洞第1實(shí)驗(yàn)段鋪設(shè)粗糙元,在測(cè)量位置處形成模擬邊界層,由此確保實(shí)驗(yàn)在接近真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行.測(cè)量結(jié)果如圖3所示.

圖3 主流風(fēng)速10 m/s時(shí)的風(fēng)速廓線

以風(fēng)洞中心高0.3 m處主流風(fēng)速作為實(shí)驗(yàn)來(lái)流表征值,共設(shè)計(jì)了5.3 m/s,8.6 m/s,10.6 m/s 3種工況.在第2實(shí)驗(yàn)段測(cè)量位置處,分別針對(duì)有/無(wú)集沙儀條件拍攝PIV圖像,計(jì)算當(dāng)?shù)厮俣葓?chǎng),分析等動(dòng)力特性.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4為無(wú)集沙儀條件下,3種主流風(fēng)速工況下測(cè)得的速度場(chǎng)分布.X軸代表主流方向,Y軸代表風(fēng)洞垂直床面方向.由圖4可知,3種風(fēng)速下,同一水平高度上風(fēng)速基本無(wú)變化,表明邊界層流動(dòng)得到充分發(fā)展.沿Y軸方向,速度值逐漸增大,符合邊界層速度廓線理論.在300 mm高度以上,氣流基本進(jìn)入主流區(qū).圖5為測(cè)量區(qū)域放置集沙儀后得到的對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)結(jié)果.與圖4相比,相同工況下,同一位置的速度略有下降,但整場(chǎng)速度變化趨勢(shì)與圖4基本相同.

為分析等動(dòng)力特性,對(duì)將有/無(wú)集沙儀條件下進(jìn)沙口中心位置處的平均風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表1和圖6.由圖1和表1可知,主流速度變化對(duì)集沙儀等動(dòng)力性并無(wú)明顯影響.有/無(wú)集沙儀條件下,風(fēng)洞底部(0.01 m處)速度變化最為明顯,平均的速度比值降到0.68(3種風(fēng)速下的平均值),說(shuō)明集沙儀對(duì)環(huán)境流場(chǎng)的影響主要集中在床面區(qū)域;隨著高度的增加(0.03～0.15 m),速度比值穩(wěn)定增長(zhǎng),3種主流風(fēng)速下速度比的平均值由0.87增至0.94;進(jìn)入0.17～0.31 m高度范圍,兩種條件下的速度差異減至最小并趨于穩(wěn)定,在0.94～0.95之間.

綜合各高度數(shù)據(jù),集沙儀整體速度比值為0.91,置入流場(chǎng)中對(duì)氣流速度影響程度較小,各高度的進(jìn)沙口速度比相對(duì)變化很小(0.87～0.95),因此該自制楔形集沙儀具有良好的等動(dòng)力特性,在風(fēng)沙場(chǎng)中可獲得較高的沙粒采集效率,適宜于在后續(xù)的野外觀測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中測(cè)量風(fēng)沙流結(jié)構(gòu).

圖4 無(wú)集沙儀時(shí)的速度分布矢量

圖5 有集沙儀時(shí)的速度分布矢量

進(jìn)沙口中心高/m5.3/(m·s-1)AB5.3m/s的速度比8.6/(m·s-1)AB8.6m/s的速度比10.6/(m·s-1)AB10.6m/s的速度比0.011.862.670.703.104.460.693.896.100.640.033.313.880.865.436.250.876.938.010.870.053.694.180.886.046.790.897.678.610.890.073.914.420.896.487.130.918.238.990.920.094.144.560.916.727.340.928.549.240.920.114.274.670.926.927.500.928.819.420.930.134.384.750.927.147.620.949.029.560.940.154.474.810.937.257.720.949.139.680.940.174.624.890.947.487.920.959.369.840.950.194.705.000.947.618.060.949.5110.000.950.214.775.090.947.728.190.949.6210.150.950.234.835.160.947.848.300.949.7310.270.950.254.885.220.937.928.390.949.8410.380.950.274.925.270.938.058.470.959.9410.480.950.294.965.290.948.188.540.969.9410.570.940.314.985.310.948.298.600.969.9910.640.94

注:A表示有集沙儀條件下各高度處風(fēng)速;B表示無(wú)集沙儀條件下各高度處風(fēng)速.

圖6 有無(wú)集沙儀條件下3種進(jìn)沙口速度分布比較

4 結(jié) 論

(1) 為保證集沙儀的精確性,提高集沙效率,

其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)緊湊且有流線型結(jié)構(gòu),符合等動(dòng)力性原則.

(2) 不同來(lái)流風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示,主流速度變化對(duì)集沙儀等動(dòng)力性的影響可忽略不計(jì).

(3) 有/無(wú)集沙儀條件下不同高度平均風(fēng)速的比值表明,集沙儀對(duì)環(huán)境流場(chǎng)的影響主要集中在近床面區(qū)域,0.05 m以下風(fēng)速偏差可達(dá)10%以上,測(cè)量時(shí)必須予以修正.

(4) 綜合多種風(fēng)速工況,有/無(wú)集沙儀條件下整體氣流速度比值為0.91,表明楔形集沙儀具有良好的等動(dòng)力特性,適宜進(jìn)行風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)測(cè)量.

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(編輯 胡小萍)

PIV Experimental Research on Equidynamic of Sand Sampler

LIU Jiang

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

A passive wedge-shaped sand sampler is designed to measure the gas-solid two-phase flow structure at different heights,especially for the rate of saltation transport.The netted and streamlined designs implement the equidynamic condition of the vertical sand sampler.The comparative experiments of the two-phase flow field structure with and without the sand sampler are carried out in a boundary-layer wind-tunnel with PIV measurement system.The results indicate that the wedge-shaped sand sampler is able to remarkably reduce the stagnant effect and achieve equidynamic under different saltation conditions,and the vertical airflow velocity ratio confirms the higher sample efficiency of the sand sampler,especially at heights above the sand bed.

gas-solid two-phase flow; sand sampler; equidynamic

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.003

2015-09-16

劉江(1980-),男,工學(xué)博士,講師,陜西漢中人.主要研究方向?yàn)榱鲃?dòng)傳熱過(guò)程的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析.E-mail:jiangliuxjtu@163.com.

上海市教育委員會(huì)優(yōu)青項(xiàng)目(ZZsdl15081).

TK229

A

1006-4729(2017)02-0119-05