PIV技術(shù)在脈動流傳熱實驗中的應(yīng)用

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(浙江工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程研究所脈動技術(shù)工程研究中心，浙江 杭州 310032)

PIV技術(shù)(粒子圖像測速法)是一種基于流場圖像互相關(guān)分析的非接觸式二維流場測量技術(shù)，能夠無擾動、精確有效地測量二維流速分布.作為PIV技術(shù)核心的流場圖像分析法目前主要采用二維快速Fourier變換實現(xiàn)互相關(guān)函數(shù)的計算，并利用速度的基本定義，通過測量質(zhì)點在已知時間間隔內(nèi)的位移實現(xiàn)對質(zhì)點速度測量；對測量平面上的多個質(zhì)點進(jìn)行跟蹤、測量，就可實現(xiàn)流速分布的二維測量[1].PIV(粒子成像測速)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于流場測量，Teruhito Otsuka和Piotr Wolanski[2]利用PIV獲得了燃燒工況下的流場可視化圖像，分析了流場結(jié)構(gòu)，對更加準(zhǔn)確的獲得速度場的方法做了詳細(xì)的分析，并且探討了示蹤粒子直徑的選?。惶旖虼髮W(xué)的李恩邦等[3]對湍流中粒子的運(yùn)動進(jìn)行了數(shù)值計算,定量分析了粒徑、無量綱密度及脈動頻率等參數(shù)對示蹤粒子跟隨特性的影響,系統(tǒng)分析和數(shù)值模擬了示蹤粒子的跟隨性；韓國學(xué)者D. X. JIN等[4]在試驗中借助于PIV粒子圖像測速技術(shù)，研究了在脈動流作用下，三角形槽道內(nèi)漩渦產(chǎn)生、發(fā)展和脫離槽道的整個過程，定性地分析了脈動流強(qiáng)化傳熱的機(jī)理.

PIV技術(shù)已廣泛應(yīng)用于定性與定量的流場可視化研究中，而對周期性流動過程中的速度場圖像采集與圖像處理的研究較少.隨著流場復(fù)雜性的增加和人們對測量精度要求的不斷提升，PIV技術(shù)也在發(fā)展.由此，從脈動流強(qiáng)化傳熱的角度出發(fā)，利用PIV技術(shù)對脈動流場信息的準(zhǔn)確獲取進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的方法，成功地將PIV技術(shù)應(yīng)用于脈動傳熱研究.

1 實驗裝置

1.1 脈動流傳熱實驗臺

為了研究脈動流場下，渦對強(qiáng)化傳熱的影響，設(shè)計了換熱器及實驗管路，搭建了脈動傳熱試驗系統(tǒng).如圖1所示，整個試驗系統(tǒng)由增壓泵、隔膜計量泵、球閥、試驗段換熱器、變壓器、PIV系統(tǒng)、NI-DAQ多功能數(shù)據(jù)采集儀、PC計算機(jī)等組成.

如圖1所示，兩臺增壓水泵分別作為動力裝置和循環(huán)裝置，隔膜泵為系統(tǒng)提供脈動流，其脈動頻率范圍為0～50 Hz，脈動流與增壓泵注入的主流匯合后進(jìn)入實驗段.激光器為拍攝流場結(jié)構(gòu)提供片光源，CCD高速相機(jī)獲得流場圖片后，將數(shù)據(jù)傳送到PC計算機(jī)進(jìn)行處理.同時，NI-DAQ多功能數(shù)據(jù)采集儀將采集到的溫度和壓力數(shù)據(jù)同步傳送到PC計算機(jī)上進(jìn)行存儲和后處理[5].實驗中，通過調(diào)節(jié)變壓器來改變加熱片的供熱功率，保證實驗段壁面與水流溫差在5～10 ℃的范圍.

1，3—增壓水泵；2—隔膜泵；4—7—球閥；8—變壓器；9—CCD高速相機(jī)；10—換熱器；11，12—壓力傳感器；13—IN-DAQ多功能數(shù)據(jù)采集儀；14—PC計算機(jī)；15，16—蓄水箱；17—同步器(Timebox)；18—激光器

1.2 實驗用PIV系統(tǒng)

實驗中使用的PIV系統(tǒng)是由丹迪動態(tài)公司(Dantec Dynamics A/S)生產(chǎn)的，該系統(tǒng)的硬件主要包括CCD相機(jī)、雙腔激光器及同步器、進(jìn)行圖像采集與分析的計算機(jī)三大部分.軟件部分由圖像采集、同步控制及圖像分析組成.圖像采集系統(tǒng)作為PIV的核心部分，主要包括CCD相機(jī)、圖像采集板、計算機(jī)和圖像采集控制軟件.CCD器件作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)大，同時能給出直觀、真實、層次豐富的可視圖像信息[6].PIV采集的圖像也可以導(dǎo)入到Matlab等軟件,使用小波分析等方法對圖像進(jìn)行重建或加強(qiáng)，能夠很好的消除圖像數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計冗余[7].

2 粒子的選取與撒布

一般示蹤粒子大小的選擇從粒子的流動跟隨性；粒子的成像可見性；粒子散布均勻度和濃度要求三方面考慮.

在一般的流場測試中，衡量示蹤粒子跟隨性的一個重要指標(biāo)是沉降速度u[8]，其定義為

(1)

沉降速度越低則粒子跟隨特性也越好，從式(1)中可看出：粒子密度越接近流體介質(zhì)密度以及粒子直徑越小則沉降速度越低，粒子的示蹤效果越好.

對于脈動流場，跟隨性的指標(biāo)與普通流場有所不同.在周培源[8]的研究工作中發(fā)現(xiàn)，發(fā)展了的湍流包含著從低頻到高頻的各種脈動頻率，所以將湍流中示蹤粒子的跟隨性公式應(yīng)用于脈動流研究是合理的.

舒瑋[9]將湍流流速uf隨時間變化看作是一個復(fù)雜的脈動信號，得到了跟隨性問題的精確解.直接以復(fù)正弦信號為基本信號，流速uf可表示為Fourier積分，即

(2)

式中A(ω)為復(fù)振幅，是角頻率ω的函數(shù).

粒子在脈動流帶動下運(yùn)動，并不完全跟隨流體，粒子速度up的幅值和相角均與流場速度不同，因此對應(yīng)的粒子的速度up可以表示為

(3)

式中：η(ω)為粒子速度與流體速度幅值之比,是頻率ω的函數(shù)；φ(ω)為粒子速度與流體速度相角之差,也是頻率ω的函數(shù).

利用舒瑋[9]關(guān)于速度幅值比的計算公式，速度表達(dá)式代入BBO方程[10]中，可得跟隨性函數(shù)，即

(4)

本實驗中，水流ρf=1 000 kg/ms，黏性系數(shù)μ=1.72×10-3kg/ms,脈動頻率f=1.2 Hz，采用了平均直徑為7 μm和14 μm的氧化鋁的作為示蹤粒子，根據(jù)式(4)，求得14 μm的氧化鋁示蹤粒子的跟隨性F為0.998，而7 μm的氧化鋁示蹤粒子的跟隨性為0.996，由此兩種粒子的跟隨性都滿足要求.但是還要看粒子的散射性，而粒子直徑越大，其散射性越好.

在全流場中均勻布撒示蹤粒子或者在局部流場中均勻布撒示蹤粒子，這是當(dāng)前PIV測速最常用的兩種方法.實驗中，采取這種布撒方式，按一定的比例將示蹤粒子撒入水中，并攪拌均勻.

3 PIV系統(tǒng)的標(biāo)定

在正式拍攝前，需進(jìn)行PIV系統(tǒng)的標(biāo)定.實驗發(fā)現(xiàn)，流道的結(jié)構(gòu)和流體工質(zhì)會對標(biāo)定工作產(chǎn)生一定的影響.在對敞開的流道內(nèi)的流場進(jìn)行標(biāo)定時，可以在流道中直接插入標(biāo)尺或標(biāo)定靶進(jìn)行標(biāo)定.進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，將標(biāo)尺或標(biāo)定靶取出而不至于對流體的流動產(chǎn)生影響.

相對而言，對密閉的流道內(nèi)的流場進(jìn)行標(biāo)定就顯得比較復(fù)雜，需要考慮不同工質(zhì)對光路的影響.對密閉的流道中的流場，標(biāo)定的辦法通常是在流道的上方，片光入射處，支一塊標(biāo)定靶或標(biāo)尺進(jìn)行標(biāo)定，然后固定相機(jī)與片光入射處之間的距離以及已經(jīng)調(diào)好的焦距，保證拍攝面與標(biāo)定面在同一個面上，然后再對流場進(jìn)行拍攝.值得注意的是，這種方法僅適用于流體工質(zhì)是空氣的工況.當(dāng)流道內(nèi)的工質(zhì)換成水或其他液體時，直接使用這種標(biāo)定方法會帶來較大的誤差.圖2為本實驗中使用的標(biāo)定方法.為了盡可能的消除壁面對流體流動的影響，實驗中將片光的入射位置選在流道的中軸線上.

圖2 PIV標(biāo)定圖

為了克服因工質(zhì)折射率引起的誤差，實驗中設(shè)計了圖2中置于換熱器上面的標(biāo)定盒.標(biāo)定盒前壁的厚度與流道前壁的厚度一致，標(biāo)定盒的寬度大于流道寬度的1/2，并在片光入射處設(shè)置了固定標(biāo)尺的卡槽，盒內(nèi)盛有同流道內(nèi)相同的工質(zhì).在標(biāo)定工作完成之后保持相機(jī)參數(shù)以及相機(jī)與拍攝面之間的距離不變，就可以直接進(jìn)行流場拍攝了.

4 測試系統(tǒng)的驗證

利用實驗室的丹麥Dantec公司生產(chǎn)的PIV系統(tǒng)，對脈動流傳熱進(jìn)行了可視化研究，同時對上述兩節(jié)關(guān)于示蹤粒子的選擇和系統(tǒng)標(biāo)定的方法進(jìn)行驗證.在脈動流中，脈動分率和脈動頻率是兩個重要的參數(shù)，脈動分率表達(dá)式為

其中：P為一個無量綱參數(shù)，表征脈動振幅的大??；QP為隔膜泵提供的脈動時均流量；QS為主流時均流量，單位為kg/s.

脈動頻率表達(dá)式為

其中：St為脈動頻率的無量綱形式，表征了脈動頻率的變化；f為隔膜泵的脈動頻率，單位為Hz;H為流道高度，單位為m;U為流道最小截面處的平均流速，單位為m/s.

利用分辨率為2 048×2 048的高速CCD相機(jī)，拍攝了當(dāng)Re=750，St=0.36時，各個不同脈動分率工況下，脈動流場中的示蹤粒子圖片，利用自適應(yīng)互相關(guān)算法處理得到脈動流的流場結(jié)構(gòu)圖.設(shè)置查詢窗口大小為64×64，重疊度為50%.圖3—5是利用Dynamic Studio軟件處理得到各工況下的流場速度矢量.

實驗中，脈動頻率為1.2 Hz，而在采集時，PIV系統(tǒng)設(shè)置的激光頻率為7 Hz，所以在一個脈動周期T內(nèi)，能得到6張矢量圖.脈動循環(huán)的起點取在通道最小截面處流體處于加速階段，且速度達(dá)到截面平均速度U的時刻.速度通過整合從底部到頂部的通道上的速度矢量獲得，先用PIV分析得到各時刻最小截面上各點的瞬時速度，然后求得各時刻最小截面上的平均速度，從而得流速隨時間的變化關(guān)系.

圖6所示為Re=750,P=1/3,St=0.36時流場的流線圖.從流線圖中可以直觀地看到渦從產(chǎn)生、發(fā)展到破滅的整個運(yùn)動過程.在主流的加速階段旋渦中心處在三角槽內(nèi).在加速階段的最初時刻，旋渦直徑迅速增長，t=2/6T的時刻，兩個渦混合到了一起形成一個更大的渦.當(dāng)主流減速以后，旋渦開始擴(kuò)張變大，從流線的疏密程度可以看出，旋渦的角速度開始變小.隨后漩渦中心脫離溝槽，流向下游.

圖3 P=1/3,Re=750,St=0.36時的瞬時速度場

圖4 P=1/2,Re=750，St=0.36時的瞬時速度場

圖5 P=1,Re=750，St=0.36時的瞬時速度場

圖6 Re=750,P=1/3,St=0.36時的流線圖

5 結(jié) 論

結(jié)合丹麥Dantec公司生產(chǎn)的PIV測量系統(tǒng)及脈動流傳熱試驗臺，利用湍流流場示蹤粒子跟隨性計算公式，得到脈動流流場示蹤粒子的跟隨性.提出了一種密閉流流場PIV測量系統(tǒng)的標(biāo)定方法，利用Dynamic Studio軟件得到了流場的矢量圖及清晰的渦量圖和流線圖.最后驗證了示蹤粒子跟隨性計算的正確性和標(biāo)定方法的準(zhǔn)確性.隨著PIV技術(shù)研究的深入，將該技術(shù)應(yīng)用于各種復(fù)雜條件的流場，得到更為準(zhǔn)確的流場信息，將是以后PIV技術(shù)發(fā)展的方向.

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