基于PIV的循環(huán)式生物絮團(tuán)系統(tǒng)渦旋分離器內(nèi)流場(chǎng)研究

史明明 孫先鵬 朱松明 劉 晃 龍麗娜 阮贇杰

(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 杭州 310058； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092； 3.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

渦旋分離器(Hydraulic vertox separator, HDVS)因其結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于環(huán)境工程、農(nóng)業(yè)工程等相關(guān)領(lǐng)域[1-3]。其中，在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng)需要適時(shí)適量地排出養(yǎng)殖水體內(nèi)多余生物絮團(tuán)，以確保總懸浮固體濃度處于適宜養(yǎng)殖對(duì)象生長(zhǎng)的范圍之內(nèi)。渦旋分離器作為國(guó)內(nèi)外循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)固液分離的關(guān)鍵部件之一，為養(yǎng)殖水體中生物絮團(tuán)顆粒的分離提供了新的途徑[4-7]。渦旋分離器清水流場(chǎng)的研究對(duì)于間接分析其絮團(tuán)顆粒分離能力十分必要[8]。目前關(guān)于渦旋分離器清水流場(chǎng)的研究主要包括理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬3方面[9]。

通過理論分析往往可以定性獲取渦旋分離器內(nèi)部流場(chǎng)的一定規(guī)律，但這部分經(jīng)驗(yàn)公式僅適用于特定的工況條件，具有一定的局限性[10]；而數(shù)值模擬需要求解復(fù)雜的方程，同時(shí)存在建模誤差和計(jì)算誤差等問題，其結(jié)果的可靠性往往受到質(zhì)疑[11]。隨著試驗(yàn)分析手段的不斷提高，渦旋分離器內(nèi)部流場(chǎng)相關(guān)參數(shù)的測(cè)量已經(jīng)不受傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法的限制，非接觸式精確測(cè)量方面已取得較大進(jìn)展[12-13]。本文設(shè)計(jì)滿足粒子圖像測(cè)速法(PIV)測(cè)量要求的HDVS模型，測(cè)量并分析新型HDVS結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布特性以及水力停留時(shí)間對(duì)其清水流場(chǎng)的影響，進(jìn)而為HDVS結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及高效的運(yùn)行提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 PIV試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為渦旋分離器流場(chǎng)測(cè)試PIV試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，該系統(tǒng)主要由PIV測(cè)量裝置和自循環(huán)裝置兩部分組成，其中，PIV測(cè)量裝置包括計(jì)算機(jī)(計(jì)算裝置)、激光發(fā)生器、PIV同步控制器和相機(jī)(數(shù)據(jù)采集裝置)，而自循環(huán)裝置由循環(huán)泵、流量監(jiān)測(cè)器、流量控制器(閥門)、渦旋分離器和蓄水箱構(gòu)成。其中流量監(jiān)測(cè)器采用MIK-200H型便攜式超聲流量計(jì)(杭州美控自動(dòng)化技術(shù)有限公司)替代。

系統(tǒng)工作過程：蓄水箱里裝有一定量的帶有示蹤粒子的水體，在水泵的作用下水體以定速度從渦旋分離器入口切向射入渦旋分離器內(nèi)。采用鋼尺對(duì)渦旋分離器進(jìn)行標(biāo)定，以提高拍攝結(jié)果的準(zhǔn)確度。激光產(chǎn)生的片狀光源從渦旋分離器柱段過中心軸截面射出。通過流量監(jiān)測(cè)器獲得當(dāng)前渦旋分離器的入射水流流量，并進(jìn)一步換算獲得渦旋分離器的水力停留時(shí)間。另外，改變流量控制器，進(jìn)而獲得其他所需研究的渦旋分離器水力停留時(shí)間。

圖1 渦旋分離器流場(chǎng)測(cè)試PIV試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of PIV experiment system of flow field in HDVS1.計(jì)算機(jī) 2.蓄水箱 3.循環(huán)泵 4.流量控制器 5.流量監(jiān)測(cè)器 6.球閥 7.渦旋分離器 8.相機(jī) 9.PIV同步控制器 10.激光發(fā)生器

1.2 PIV測(cè)量裝置

圖2 試驗(yàn)用PIV系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Real shot of PIV system applied in this experiment

本試驗(yàn)設(shè)備采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的PIV系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)物裝置如圖2所示，該系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比和集成穩(wěn)定性。具體包括：

PIV01134型雙脈沖激光器：由英國(guó)LITRON公司生產(chǎn)，輸出能量高達(dá)22.5 mJ/脈沖，脈沖頻率為1 000 Hz，而最大頻率可以達(dá)到20 kHz，出射波長(zhǎng)為527 nm的可見綠光，設(shè)備穩(wěn)定性良好，無需外部冷卻。

630083-12GB型CMOS相機(jī)：由美國(guó)Phantam公司生產(chǎn)，單幅采集1 280像素×800像素，分辨率為1 M像素，動(dòng)態(tài)范圍12位，3 200幀/s的滿幀頻，并配有12 GB內(nèi)存。

610026型片光源透鏡組：由美國(guó)TSI公司生產(chǎn)，片光焦距0.3～3 m可調(diào)，柱面鏡焦距為-10 mm和-20 mm。

610036型外置同步器：由美國(guó)TSI公司生產(chǎn)，LaserPuls 計(jì)算機(jī)控制同步器，時(shí)間分辨率最低為0.25 ns，主要控制相機(jī)和激光發(fā)生器的工作時(shí)間軸序。

PIV軟件采集分析平臺(tái)：包括采樣和處理軟件Insight4G和DELL工作站(內(nèi)存16GB，硬盤2TB)，軟件為美國(guó)TSI公司研發(fā)的專業(yè)的PIV測(cè)試用軟件Insight4G-UP(Insight4G, Module4G-2DPIV)。Insight4G圖像采集、分析及顯示軟件平臺(tái)是基于.NET技術(shù)設(shè)計(jì)，且具有并行處理功能的分布式二維PIV圖像采集、分析和顯示專用數(shù)據(jù)處理軟件。

10089-SLVR型種子顆粒：美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的直徑10 μm鍍銀空心玻璃球，密度為1 150 kg/m3。

610015型導(dǎo)光臂：由美國(guó)TSI公司生產(chǎn)，包括多關(guān)節(jié)導(dǎo)光臂一套(每關(guān)節(jié)均可360°旋轉(zhuǎn)，全展開長(zhǎng)度可達(dá)1.8 m)和鏡頭基座一套，導(dǎo)光率95%。

其他部件：610070型窄帶濾鏡，由美國(guó)TSI公司生產(chǎn)，三腳架和軸編碼器型號(hào)分別為Tripod和Shaft encoder，另外，為保護(hù)激光器等試驗(yàn)儀器，安裝空調(diào)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的濕度和溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1.3 HDVS模型

本文所研究的渦旋分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示[5]。

圖3 渦旋分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Geometric model of HDVS1.擾流板 2.套筒 3.進(jìn)水口 4.錐體 5.排空口 6.沉積倉(cāng) 7.中心錐體 8.外筒壁 9.出水口

渦旋分離器的內(nèi)套筒內(nèi)部設(shè)計(jì)有擾流板，以便改善內(nèi)套筒內(nèi)部流場(chǎng)，提高其內(nèi)部的顆粒沉降性能。為便于開展PIV試驗(yàn)，本試驗(yàn)涉及的模型用有機(jī)玻璃加工[14]。同時(shí)，為降低渦旋分離器圓柱壁面對(duì)光的折射影響，在渦旋分離器的外圍加工一個(gè)正方體護(hù)罩，關(guān)鍵尺寸DO、DOF、DIN、H1、H2、H3、L分別為0.15、0.025、0.02、0.2、0.042 5、0.035、0.015 m，具體模型如圖4所示。

圖4 PIV試驗(yàn)用渦旋分離器實(shí)物模型Fig.4 Model of HDVS for PIV experiment

2 試驗(yàn)方案

2.1 測(cè)量工況

水力停留時(shí)間是環(huán)境工程中水處理裝置的重要指標(biāo)，本文主要指養(yǎng)殖水體在渦旋分離器內(nèi)的平均停留時(shí)間。由于渦旋分離器的有效體積一定，則進(jìn)水口進(jìn)水速度越快其相應(yīng)的水力停留時(shí)間越短。針對(duì)水力停留時(shí)間為248、83、49 s(即較慢、中等和相對(duì)較快)3種典型渦旋分離器工況進(jìn)行PIV試驗(yàn)測(cè)量[7]，所研究的區(qū)域如圖5所示，其中，縱截面與渦旋分離器出水口方向垂直。

圖5 研究區(qū)域設(shè)置Fig.5 Region of interest extract

由于渦旋分離器內(nèi)部流動(dòng)比較復(fù)雜且受到隨機(jī)脈動(dòng)和周期性運(yùn)動(dòng)的影響，其中，對(duì)于后者可運(yùn)用軸編碼器進(jìn)行消除，而對(duì)于前者其主要表現(xiàn)為，測(cè)試結(jié)果隨著采用時(shí)刻變化而改變，故可對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均來削弱此因素的影響。主要采用相位平均法，即在同一工況下相同相位處拍攝N幅流場(chǎng)，將這N幅流場(chǎng)按坐標(biāo)進(jìn)行相平均得到流場(chǎng)的平均流速。其具體過程為：試驗(yàn)過程中，對(duì)各個(gè)工況采樣1 000幀，隨后在其后處理時(shí)，對(duì)各工況相應(yīng)的1 000幀的瞬時(shí)速度分量直接進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算，進(jìn)而可獲得各工況相應(yīng)的軸向平均速度、徑向平均速度及渦量等物理量[7]。

2.2 相關(guān)設(shè)置

2.2.1查詢區(qū)

查詢區(qū)越小，對(duì)應(yīng)所獲得的矢量圖就越能夠代表研究對(duì)象內(nèi)部的真實(shí)流動(dòng)[15]。這主要是因?yàn)椴樵儏^(qū)中心的瞬時(shí)速度是用查詢區(qū)內(nèi)流場(chǎng)的平均速度來近似表征的，進(jìn)而由中心瞬時(shí)速度來表示相應(yīng)流場(chǎng)當(dāng)前位置的速度矢量，故查詢區(qū)過大必將導(dǎo)致中心瞬時(shí)速度的結(jié)果誤差過大，特別是對(duì)于速度梯度較大的流動(dòng)，相關(guān)峰的位移也將變大，峰值將降低，進(jìn)而造成一定的測(cè)量噪聲，影響測(cè)量精度。另外，為了獲得更精確的流動(dòng)細(xì)節(jié)，有學(xué)者認(rèn)為查詢區(qū)內(nèi)通常要包含10個(gè)以上的示蹤粒子[16]。雖然查詢區(qū)域面積的增加可以大大增加查詢區(qū)域內(nèi)粒子的數(shù)量，但一定要確保查詢區(qū)足夠小，綜合當(dāng)前學(xué)者研究結(jié)果及試驗(yàn)測(cè)試，本試驗(yàn)設(shè)置查詢區(qū)分辨率為48像素×48像素[17]。

2.2.2脈沖激光時(shí)間間隔

圖6 不同水力停留時(shí)間下速度矢量分布Fig.6 Velocity vector distributions at different HRTs

粒子示蹤技術(shù)是PIV技術(shù)粒子識(shí)別的主要原理依據(jù)，因此，在對(duì)粒子識(shí)別過程中存在可識(shí)別速度的極限值，當(dāng)位移大于一定閾值時(shí)，粒子的識(shí)別過程會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。脈沖激光時(shí)間直接影響示蹤粒子的移動(dòng)范圍，原則上要求粒子單次測(cè)量的移動(dòng)極限位移應(yīng)小于查詢區(qū)域大小的1/4，同時(shí)，其在垂直方向上的移動(dòng)極限位移應(yīng)小于片光源厚度1/4。從四分之一準(zhǔn)則出發(fā)， 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員認(rèn)為利用系數(shù)增量葉端線速度估算速度最大值，可以根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定文件中的成像空間分辨率和選擇的待用查詢區(qū)間大小計(jì)算出粒子物象在1/4個(gè)區(qū)間寬度中所需要的估算時(shí)間，然后再計(jì)算出粒子運(yùn)動(dòng)1/4個(gè)片光厚度所需要的時(shí)間，取二者最大值為時(shí)間間隔值最大值，試驗(yàn)過程可以設(shè)置極大值作為設(shè)置初始值[15]。經(jīng)計(jì)算和實(shí)測(cè)，最終圖像采集時(shí)脈沖激光時(shí)間間隔設(shè)置為1 400 μs。

2.2.3示蹤粒子

示蹤粒子是試驗(yàn)開展的基礎(chǔ)，流場(chǎng)的速度就是通過測(cè)量不同時(shí)刻粒子的位置來獲得的。常見的示蹤粒子有聚苯乙烯、熒光粒子、尼龍粒子和鍍銀空心玻璃珠等，本文選擇TSI公司配備的鍍銀空心玻璃珠，其次粒子的跟隨性直接影響測(cè)量精度，對(duì)選取的鍍銀空心玻璃珠跟隨性情況進(jìn)行分析，則有

式中μ——水粘度，kg/(m·s)

dp——示蹤顆粒的直徑，m

ρp——示蹤顆粒的密度，kg/m3

τs——示蹤顆粒時(shí)滯時(shí)間，s

根據(jù)公式得出停留時(shí)間約為0.6 μs，與激光脈沖延遲時(shí)間1 800 μs和時(shí)間間隔1 400 μs相比很小，則可以認(rèn)為該示蹤粒子在水中跟隨性較好。粒子大小確定后需要確定粒子的數(shù)量，如前文所述，圖像采集過程中要保證每個(gè)查詢區(qū)內(nèi)粒子數(shù)量不少于10個(gè)，可通過試驗(yàn)測(cè)試拍攝調(diào)節(jié)粒子濃度，在保證相機(jī)相對(duì)位置合理，獲取的每個(gè)粒子成像飽滿清晰時(shí)，適量逐步增加粒子投放量，且保證每個(gè)查詢區(qū)的粒子數(shù)量均勻且適量，如果粒子出現(xiàn)膨脹或者團(tuán)聚等現(xiàn)象時(shí)，試驗(yàn)就必須重新?lián)Q用新的工作流體。

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過服務(wù)器機(jī)組內(nèi)接數(shù)據(jù)采集卡和外置同步器，實(shí)現(xiàn)對(duì)整套硬件系統(tǒng)的遠(yuǎn)程可視化控制，并具有Mask多種提取方式和內(nèi)嵌算法，同時(shí)，外接Tecplot程序?qū)崿F(xiàn)流場(chǎng)矢量圖像顯示。通過后處理可獲得各點(diǎn)平均速度、分速度和渦量特性參數(shù)等。

3 結(jié)果與分析

3.1 速度矢量分布分析

渦旋分離器速度場(chǎng)分布的分析有助于間接評(píng)價(jià)渦旋分離器分離性能。不同水力停留時(shí)間下渦旋分離器內(nèi)顆粒的速度矢量分布如圖6所示，其中，不同水力停留時(shí)間下的速度矢量進(jìn)行歸一化處理，即速度矢量圖中箭頭大小相同，以便于觀測(cè)渦旋分離器內(nèi)二次流等現(xiàn)象。將渦旋分離器研究區(qū)域劃分為a、b、c、d、e 5個(gè)區(qū)以便進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖6可知，d區(qū)是渦旋分離器的中心錐體，正如圖2所示，該區(qū)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁面較多，切表面為弧形，雖然切除了中心錐體壁面存在的區(qū)域，但其周邊由于光散射較強(qiáng)，速度矢量結(jié)果依然有一定誤差，此處不做過多分析。a和c區(qū)域?yàn)闇u旋分離器內(nèi)套筒外部流場(chǎng)區(qū)域，該區(qū)3種水力停留時(shí)間下的速度方向大致相似，由此可知，對(duì)于本文研究的渦旋分離器其外流場(chǎng)的旋流功能相對(duì)較強(qiáng)，而顆粒的分離需要依據(jù)該部分旋流，一定范圍的旋流作用下對(duì)于生物絮團(tuán)顆粒的分離是有利的。同時(shí)，也可以清楚看到內(nèi)套筒筒壁的影響隨著水力停留時(shí)間的加快而更加明顯。對(duì)于渦旋分離器沉積倉(cāng)e區(qū)，當(dāng)水力停留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)流場(chǎng)相對(duì)雜亂，但通過實(shí)際觀察，該區(qū)湍流并不強(qiáng)，這也主要是由于該圖僅反映了速度方向，其速度相對(duì)較小，因此采用固定的脈沖時(shí)間間隔測(cè)得速度方向誤差較大些。由圖6b和圖6c清晰看到，e區(qū)流場(chǎng)速度方向分布基本相似。對(duì)于研究重點(diǎn)b區(qū)，由圖可知，不同水力停留時(shí)間下，b區(qū)左下角和上部區(qū)域均表現(xiàn)一定的渦旋，同時(shí)隨著水力停留時(shí)間加快，中間內(nèi)套筒內(nèi)的顆粒速度方向大致相同，只在筒壁附近產(chǎn)生小的二次流，理論上講，該區(qū)流速也是逐漸增大的，隨著此處速度增加，由伯努利原理可知，該處動(dòng)壓降低，導(dǎo)致沉積倉(cāng)內(nèi)混合液向該區(qū)流動(dòng)的趨勢(shì)，不利于顆粒的沉積，進(jìn)而影響分離效率。

圖7(圖中u表示橫坐標(biāo)軸方向速度，v表示縱坐標(biāo)軸方向速度)為顆粒分速度分布的散點(diǎn)圖，該圖與圖6反映出的3種水力停留時(shí)間下速度分布的規(guī)律相似，同時(shí)，由圖可清晰看到，右側(cè)散點(diǎn)要多于左側(cè)，即表示向橫坐標(biāo)軸正向速度的顆粒分布較多，而兩分速度相差較大的顆粒點(diǎn)的數(shù)量較少，說明顆粒處于旋流向上或向下的狀態(tài)，并且旋流向下的顆粒多于向上的顆粒。

圖7 不同水力停留時(shí)間分速度分布散點(diǎn)圖Fig.7 Velocity probability distributions at different HRTs

3.2 速度分布分析

圖8為顆粒在該平面的合速度概率統(tǒng)計(jì)圖，圖中主縱軸坐標(biāo)表示某一速度的顆粒數(shù)量。

圖8 不同水力停留時(shí)間合速度概率分布圖Fig.8 Velocity probability distributions at different HRTs

由圖8可知，對(duì)于3種水力停留時(shí)間的渦旋分離器，在所觀察截面處顆粒速度分布規(guī)律相似，速度分別集中在0.035、0.045、0.050 m/s之內(nèi)，并分別在0.014、0.018、0.020 m/s處的速度量占據(jù)比例最高，由此可以看出，雖然三者水力停留時(shí)間是1∶0.33∶0.2的比例，但它們的最大速度以及占據(jù)最大比例的速度均與水力停留時(shí)間的比例有一定差距，這主要是因?yàn)殡S著水力停留時(shí)間的減小，渦旋分離器內(nèi)整體速度加快，因此湍動(dòng)能耗增加，但三者最大速度與占據(jù)最大比例的速度之間的比例基本一致。由此可為分析流場(chǎng)內(nèi)顆粒速度提供參考。

通過軸向速度的分布可以分析流體質(zhì)點(diǎn)或分散相顆粒進(jìn)入渦旋分離器后的運(yùn)動(dòng)軌跡，并根據(jù)軌跡變化的規(guī)律來預(yù)測(cè)渦旋分離器的分離效率，分析流場(chǎng)和分離效率的影響因素等[18]。圖9為不同水力停留時(shí)間下渦旋分離器的軸向速度概率分布圖，由圖9可知，3種工況下，軸向速度分布相似，均表現(xiàn)出速度最小的顆粒占比最高，且累計(jì)分布函數(shù)曲線相似。另外，隨著水力停留時(shí)間加快，當(dāng)水力停留時(shí)間小于83 s時(shí)，上行顆粒和下行顆粒數(shù)量相近，此時(shí)速度的進(jìn)一步增大將對(duì)分離效率的影響逐漸降低，但隨著水力停留時(shí)間加快能耗將會(huì)增大，因此水力停留時(shí)間選擇應(yīng)大于49 s。

圖9 不同水力停留時(shí)間軸向速度概率分布圖Fig.9 Axial velocity component probability distributions at different HRTs

在渦旋分離器內(nèi)的流場(chǎng)中，徑向速度與其他兩個(gè)方向的速度相比較小，因此其對(duì)分離效率的影響也相對(duì)弱些[7,19]。圖10給出了不同水力停留時(shí)間條件下，徑向速度的概率統(tǒng)計(jì)圖。由圖10可知，相對(duì)于圖9的軸向速度分布，徑向速度多集中在速度較小區(qū)域，且隨著水力停留時(shí)間降低，較小速度的占比增大，這和其他常規(guī)水力旋流器表現(xiàn)出的現(xiàn)象相似。同時(shí)，對(duì)于3種水力停留時(shí)間，顆粒速度沿中心和壁面方向的速度占比大致相同，這和其他研究學(xué)者的結(jié)論相同[20]。

圖10 不同水力停留時(shí)間徑向速度概率分布圖Fig.10 Radial velocity component probability distributions at different HRTs

3.3 渦量分布分析

渦量又是一個(gè)重要的整體參數(shù)，它表示測(cè)量面上各個(gè)位置渦的強(qiáng)弱，渦量也是唯一人為規(guī)定的矢量，它的構(gòu)成基于一個(gè)渦流(也許是一個(gè)微小的元渦)，可稱其為復(fù)合型運(yùn)動(dòng)流體矢量的集合。為與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相區(qū)別，渦量的方向可通過右手定則確定，它是微渦的軸線方向，與該渦流運(yùn)動(dòng)元的運(yùn)動(dòng)趨向完全無關(guān)。

圖11表示不同水力停留時(shí)間條件下渦量概率分布圖。從圖11中可以看出，水力停留時(shí)間為248 s時(shí)，流場(chǎng)渦量均比較小，-12～0 s-1或0～12 s-1之間渦量區(qū)域占了大約50%，而在83 s時(shí)50%的區(qū)間范圍有所擴(kuò)大，當(dāng)水力停留時(shí)間為49 s時(shí)，渦量分布趨向均勻。另外，對(duì)于各種工況下順時(shí)針和逆時(shí)針渦量基本相同?？傮w而言，隨著水力停留時(shí)間加快，渦量的分布趨向均勻，即高渦量區(qū)域逐漸增加。而渦旋的產(chǎn)生伴隨著機(jī)械能損耗[21]。故在保證一定分離效率情況下不利于節(jié)約能耗，同時(shí)，高強(qiáng)渦旋會(huì)使顆粒懸浮其中，雖然增加了顆粒停留時(shí)間，但并不能將其分離，對(duì)于分離效率的提高意義不大[5]。

圖11 不同水力停留時(shí)間渦量概率分布圖Fig.11 Vorticity probability distributions at different HRTs

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過PIV的測(cè)量表明：對(duì)于渦旋分離器的圖像采集時(shí)脈沖激光時(shí)間間隔設(shè)置為1 400 μs時(shí)，效果相對(duì)較好，但由于激光能量一定，其穿透能力有限，因此，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，PIV試驗(yàn)所獲得的結(jié)果依然有待改進(jìn)。

(2)不同水力停留時(shí)間條件下，渦旋分離器內(nèi)套筒內(nèi)部區(qū)域的左下角和上部區(qū)域均表現(xiàn)一定的渦旋，同時(shí)隨著水力停留時(shí)間的加快，當(dāng)水力停留時(shí)間達(dá)到49 s時(shí)，中間內(nèi)套筒內(nèi)的顆粒速度方向大致相同，只在筒壁附近產(chǎn)生小的二次流，同時(shí)沉積倉(cāng)內(nèi)的顆粒速度方向趨于一致，而軸向和徑向的合速度變化并不大，且不同速度占據(jù)的比例相同。

(3)對(duì)于不同工況下順時(shí)針和逆時(shí)針渦量基本相同。另外，水力停留時(shí)間越慢，流場(chǎng)的渦量就相對(duì)越小，并隨著水力停留時(shí)間加快，相應(yīng)的高渦量區(qū)域也逐漸增加，當(dāng)水力停留時(shí)間為49 s時(shí)，渦量分布趨向均勻。