圓管內(nèi)楔形節(jié)流件周圍流場的TRPIV實驗測量

胡 岳，姚世勇，張 濤，姜 楠

(1. 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072；2. 中國民航大學(xué)民航空管研究院，天津 300300；3. 天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300072)

圓管內(nèi)楔形節(jié)流件周圍流場的TRPIV實驗測量

胡 岳1,2，姚世勇3，張 濤1,3，姜 楠3

(1. 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072；2. 中國民航大學(xué)民航空管研究院，天津 300300；3. 天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300072)

應(yīng)用高時間分辨率粒子圖像測速技術(shù)(TRPIV)，研究圓管內(nèi)楔形節(jié)流件周圍流場.對Re在2×104～16×104之間，5種圓管內(nèi)楔形節(jié)流件周圍流場進行高時間分辨率精細測量. 結(jié)果表明：楔形節(jié)流件下游回流區(qū)長度 Xr隨楔形前后夾角增大而增大. 回流渦渦心位置在 x方向上隨楔形前后夾角增大而增大；在 y方向上隨楔形前夾角增大而增大，隨楔形后夾角增大而減小. 回流區(qū)邊界受圓管側(cè)壁處二次分離流動影響顯著.

圓管；楔形節(jié)流件；回流區(qū)長度；粒子圖像測速

楔形流量傳感器的主要結(jié)構(gòu)特點是節(jié)流件為三角形縱剖面的楔形件．這樣形狀的節(jié)流件比孔板等節(jié)流件更有利于顆粒狀流動，特別是有懸浮物的流體順利通過節(jié)流件[1]．楔形流量傳感器適用于測量高黏度流體及懸浮液的流量測量，在石油、化工、電力和污水處理等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用．尤其是在原油、重油及懸浮液的流量測量方面有其獨特的優(yōu)勢．研究楔形節(jié)流件周圍流場隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，可以為楔形流量傳感器的優(yōu)化設(shè)計提供重要的依據(jù).

相比經(jīng)典的后向臺階流動，有關(guān)楔形節(jié)流件繞流流動機理的研究文獻相對較少．一方面由于楔形具有傾斜的前夾角，使得流體流經(jīng)分離點前就已經(jīng)處于不充分發(fā)展狀態(tài)，而后向臺階流場中流體流經(jīng)分離點前是充分發(fā)展狀態(tài)，使楔形繞流流動比后向臺階流動更加復(fù)雜．另一方面由于楔形具有傾斜的后夾角，使得分離后的流動情況受楔形幾何形狀影響較大．這兩方面原因都增加了楔形繞流流動的復(fù)雜性.

研究楔形節(jié)流件周圍流場，是研究楔形流量傳感器的基礎(chǔ)．對楔形流場進行精細實驗研究，可以從流場觀測的角度全面細致地認識和了解楔形流量傳感器流場的流動結(jié)構(gòu)和流動機理，為楔形流量傳感器的優(yōu)化設(shè)計提供可靠的實驗依據(jù).對楔形分離流動的實驗研究也是經(jīng)典分離流動研究的有益補充和拓展，能揭示復(fù)雜流場中幾何邊界相互影響的流場細節(jié)特征. Heist等[2]利用 LDV技術(shù)對方形管道中的楔形節(jié)流件繞流流動進行觀測，得到平均流速和雷諾應(yīng)力的分布，認為過楔形頂點后，流動還會加速一段距離. Lyn[3]利用 LDV技術(shù)對具有自由表面的底部有周期楔形結(jié)構(gòu)的方槽水流流動進行觀測，得到流場底部速度分布．許多學(xué)者從不同方面對楔形繞流流場進行了探索，但對不同幾何形狀的楔形節(jié)流件在不同流動條件下的流場細節(jié)缺乏系統(tǒng)的分析，對楔形節(jié)流件在不同工況下的測量機理還缺乏深入的了解．本文用高時間分辨率粒子圖像測速技術(shù)(TRPIV)，雷諾數(shù) Re在2×104～16×104(對應(yīng)流速為0.2～1.6,m/s)的4種工況下，楔形前后夾角分別為 30°和 45°、45°和 45°、60°和45°、45°和 30°以及 45°和60°共5種圓管內(nèi)楔形節(jié)流件繞流進行實驗觀測，對回流區(qū)長度、渦心位置和回流區(qū)邊界等流場特性進行了分析.

1 實驗裝置及測量顯示技術(shù)

1.1 實驗裝置

實驗裝置為水流量循環(huán)裝置，如圖 1所示．循環(huán)管道為內(nèi)徑 D＝100,mm的圓管．由于觀測段為圓管，需要在觀測段圓管外加裝方形水套用以克服光線折射的問題．水流量循環(huán)裝置使用 ISG100-160型水泵(電機功率15,kW，揚程32,m，額定流量100,m3/h)將回水箱的循環(huán)水抽送到循環(huán)管道高度．通過閥門調(diào)節(jié)流量．經(jīng)過 LD-502型電磁流量計進入管道．流經(jīng)兩個 45°彎頭后進入直管管道．方形水套前直管長50D，后直管長 5D，保證方形水套的進口和出口流動均已充分發(fā)展．

方形水套如圖 2所示．方形水套是一個方形盒，長 700,mm，寬、高均為 260,mm．水套前后裝配兩段不銹鋼短圓管．圓管與觀測段通過法蘭連接．圓管與方形水套前后端面間用Y形圈密封，用卡環(huán)夾緊．方形水套側(cè)面為玻璃．待觀測段為有機玻璃圓管．圓管內(nèi)水平放置高度h＝30,mm楔形阻擋體．實驗中激光片光源由上向下照射，楔形水平放置在圓管底部.

圖2 方形水套Fig.2 Square water box

實驗對象為5種楔形截面．楔形周圍流場如圖3所示．側(cè)視圖中流動方向為從左向右．圖中，流通高度H＝70,mm；α為前夾角，即楔形迎流面與底邊的夾角；β為后夾角，即楔形背流面與底邊的夾角．

圖3 圓管內(nèi)楔形周圍流場Fig.3 Flow field around wedge in circular pipe

楔形體共3種．3種楔形體截面如圖4所示.

圖4 楔形體截面Fig.4 Cross section of wedge

這3種楔形體前夾角均為 45°．將圖 4(a)和圖4(c)反向放置，可以實現(xiàn)對前夾角為 30°和 60°、后夾角為45°的楔形繞流流場的觀測．向瞬時速度場進行測量，該系統(tǒng)由激光片光源、Kodak’s KAI-0340 Interline transfer CCD高速相機、同步控制器、圖像采集卡和計算機組成.激光發(fā)生器(功率1,500,mW)產(chǎn)生連續(xù)或脈沖激光，激光片光源從方形水套上方沿流向-法向照亮流場，片光厚度為1,mm，光平面與圓管軸線平行．在流場中散布粒徑為10,μm的空心玻璃微珠作為示蹤粒子．測量區(qū)域根據(jù)實驗需要確定．憑借水平和垂直2個標尺使相機在水平和垂直2個方向上保持直線移動而不發(fā)生較大偏移．CCD相機從方形水套側(cè)面記錄粒子圖像．鏡頭的分辨率為 640,pix×480,pix，拍攝速度 20幀/s．每個圖像拍攝 500個時間樣本，測量時間為 25,s．跨幀時間依流速而定．圖像的可視范圍(流向×法向)為74.15,mm×52.54,mm．對原始粒子圖像進行處理時所選擇的查詢窗口為32,pix×32,pix．迭代步長為16,pix，最終在所測的二維平面內(nèi)得到35×27個流速信息.

2 實驗結(jié)果及分析

實驗中，在 0.4,m/s工況下，對過圓管軸線垂面的楔形全流場進行TRPIV觀測．流場被分為8部分，如圖5所示．通過后期處理，將8幅時間平均流場處理結(jié)果拼接在一起，能夠得到楔形流場區(qū)域的全流場時均速度信息．8幅流場處理結(jié)果拼合成的全流場為243.31,mm×100.00,mm，能夠覆蓋楔形下游的全部回流區(qū)．0.2,m/s、0.8,m/s和 1.6,m/s工況下僅對圖像⑦進行觀測，得到再附著位置，并根據(jù)標尺信息得到回流區(qū)Xr的長度，以及回流區(qū)歸一化長度Xr/h，即回流區(qū)長度與楔形高度之比.

圖5 全流場TRPIV實驗Fig.5 Flow field of TRPIV experiment

本文的雷諾數(shù)Re內(nèi)部參數(shù)如下．其中D取為特征長度；u0為觀測段入口平均速度；ν 為水的運動黏度系數(shù).

2.1 全流場分析

在充分發(fā)展圓管流動中，法向速度很小.而在繞流流動中，受楔形擠壓以及楔形后部回流的影響，會存在很明顯的法向速度分布．5種楔形流場在0.4,m/s工況下的全流場法向速度云圖和流線如圖6所示．

圖6 法向速度云圖及流線圖Fig.6 Normal velocity contour and streamline

圖中的原點為楔形頂點到底邊的投影．從圖中可以看出，流體流經(jīng)楔形時，受楔形迎流面擠壓而向楔形上方流動，且在楔形下游一定位置處才在楔形上方流動的影響下與原流向重合．在這 5種楔形流場中，楔形迎流面都有受迎流面擠壓形成的向上的法向速度，楔形下游存在順時針回流．在回流左側(cè)，也就是楔形背流面，有向上的法向速度；在回流右側(cè)，也就是云圖右側(cè)，有向下的法向速度．

2.2 回流長度

圖7給出楔形后夾角固定為45°而前夾角變化，以及前夾角為 45°而后夾角變化時，楔形下游回流區(qū)歸一化長度Xr/h與雷諾數(shù)Re之間的關(guān)系曲線．從圖中可以看出，當 Re＜4×104時，回流區(qū)歸一化長度隨Re的增大而增大，在Re＝4×104時達到最大值，這是因為Re＜4×104時，楔形下游的分離流動還沒有充分發(fā)展，分離還不充分，隨雷諾數(shù)的增大，回流區(qū)歸一化長度隨Re仍在增大；而在Re＞4×104以后，楔形下游的分離流動達到充分發(fā)展湍流，湍流引起的強烈法向動量傳遞對分離有抑制作用，導(dǎo)致回流區(qū)歸一化長度隨Re的增加而逐漸減?。斍皧A角為60°、后夾角為45°、雷諾數(shù)為16×104時，在楔形下游角區(qū)產(chǎn)生小的二次分離展向渦，將主分離渦推向下游，使回流區(qū)歸一化長度再度產(chǎn)生增長的趨勢．總體上看楔形后夾角固定為 45°時，回流區(qū)歸一化長度隨前夾角的增大而增大．當楔形前夾角從 30°變化至 60°時，回流區(qū)歸一化長度約增大0.4.

同樣可以看出，楔形前夾角固定為 45°時，回流區(qū)歸一化長度隨后夾角的增大先增大再減小，然后又增大．當雷諾數(shù)從 2×104增大到 4×104時，楔形下游的分離流動還沒有充分發(fā)展，分離還不充分，隨雷諾數(shù)的增大，回流區(qū)歸一化長度隨 Re仍在增大；當雷諾數(shù)從4×104增大到8×104時，楔形下游的分離流動達到充分發(fā)展湍流，湍流引起的強烈法向動量傳遞對分離有抑制作用，導(dǎo)致回流區(qū)歸一化長度隨 Re的增加而逐漸減?。斍皧A角為45°、后夾角為60°、雷諾數(shù)為 16×104時，在楔形下游角區(qū)產(chǎn)生小的二次分離展向渦，將主分離渦推向下游，使回流區(qū)歸一化長度再度增大.

總體上看，當楔形后夾角從 30°變化至 60°時，回流區(qū)歸一化長度最終約增大 0.4．楔形后夾角對回流區(qū)歸一化長度的影響，與后向臺階相關(guān)研究中得到的結(jié)論是一致的．Ruck等[4]利用LDV技術(shù)研究具有后夾角的后向臺階流場，回流區(qū)長度隨后夾角增大而增大．Singh等[5]利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)研究相同流場，得到相同結(jié)論．上述研究結(jié)果無論是變化趨勢還是變化量，都與圓管楔形流場中楔形后夾角變化對回流區(qū)歸一化長度的影響相一致.

圖7 回流區(qū)歸一化長度Fig.7 Normalized length of recirculating-flow region

2.3 渦心位置

通過繪制每種楔形流場的流線，可以得到回流渦的渦心位置．楔形下游回流渦受楔形前后夾角的影響，回流渦的渦心位置也受前后夾角影響．圖 8給出楔形后夾角固定為 45°而前夾角變化，以及前夾角為45°而后夾角變化時，回流渦渦心的 x方向距離和 y方向距離.

楔形后夾角固定為 45°時，前夾角增大，渦心的x方向距離和y方向距離都增大．當楔形后夾角固定時，此時影響楔形上游順壓梯度增大，流速加快，流動介質(zhì)受楔形迎流面擠壓效果增大，流動爬升更高，分離產(chǎn)生的剪切層上揚更高、更強，再附著到底邊的距離也就相應(yīng)增大．所以，楔形前夾角增大，回流區(qū)歸一化長度增大．而回流渦渦心位置在回流渦中心位置．回流渦增大，渦心位置相應(yīng)地會遠離楔形，渦心的x方向距離和y方向距離也就相應(yīng)增大.

楔形前夾角固定為 45°時，隨后夾角增大，楔形下游逆壓梯度增大，分離產(chǎn)生的剪切層更強，分離渦更長．但后夾角增大，楔形背流面變短，對回流渦的抬升作用減?。虼耍敽髪A角變大時，渦心的 y方向距離會隨后夾角的增大而減小．

圖8 渦心位置Fig.8 Vortex-core’s position

2.4 回流區(qū)邊界

由于存在側(cè)壁及其邊界層流動的影響，在楔形靠近側(cè)壁的角區(qū)位置會出現(xiàn)流向二次渦結(jié)構(gòu)，流向二次渦與展向分離渦相互作用，破壞了展向分離渦的二維性，使楔形后緣的分離流不再是二維流動，呈現(xiàn)出明顯的三維復(fù)雜流動特征．Hall等[6]使用PIV技術(shù)研究后向臺階下游的流向二次渦結(jié)構(gòu)．由于后向臺階中的流向二次渦結(jié)構(gòu)，在后向臺階下游靠近流場側(cè)壁的區(qū)域，回流區(qū)邊界不再是平直的，而是出現(xiàn)彎曲，回流在側(cè)壁處消失[7]．在后向臺階下游側(cè)壁處會產(chǎn)生流向二次渦和側(cè)壁分離渦，且該分離渦隨 Re增大對臺階下游主回流渦的影響逐漸增強[8-9]．正因為側(cè)壁的這種影響，在后向臺階流場實驗中，希望展高比越大越好．展高比越大，說明后向臺階流場的展向?qū)挾认鄬ε_階高度越寬，側(cè)壁影響越不明顯，后向臺階流場的對稱面越接近二維流場．

如果側(cè)壁對回流區(qū)不產(chǎn)生影響，則理想的后向臺階流場中，回流區(qū)邊界應(yīng)該是一條直線，而不會在側(cè)壁附近出現(xiàn)彎曲．假設(shè)圓管楔形流場中的回流區(qū)不受圓管側(cè)壁影響，回流區(qū)長度與楔形高度成正比，則圓管中楔形下游回流區(qū)邊界可以近似認為是楔形頂點與底邊回流區(qū)最大處連線在圓管管壁上的水平投影．該投影從俯視角度看，就是一個橢圓形弧線，如圖9中虛線所示.

圖9 回流區(qū)邊界示意Fig.9 Diagram of boundary of recirculating-flow region

通過式(1)可以計算出假想圓管側(cè)壁對回流無影響情況下的橢圓弧形回流區(qū)邊界．式中z為垂直截面與圓管軸線的距離，Xr(0)為過圓管軸線垂面上的回流區(qū)長度，即楔形下游回流區(qū)長度的最大值，位于回流區(qū)邊界的弧形頂部．中心兩側(cè)的回流區(qū)邊界受圓管管壁彎曲的影響而逐漸減小.

實驗中在距離圓管軸線 50,mm范圍內(nèi)以 5,mm為間隔，沿展向等距選取 10個測量垂直面，測量各垂直面上楔形下游的回流區(qū)長度．圖 10為實測流場回流區(qū)邊界、CFD數(shù)值仿真得到的回流區(qū)邊界和通過公式計算得到的回流區(qū)邊界.

圖10 回流區(qū)邊界Fig.10 Boundary of recirculating-flow region

從圖中可以看出，實測流場回流區(qū)邊界和 CFD數(shù)值仿真得到的回流區(qū)邊界較吻合，都與式(1)計算結(jié)果有一定偏差．這說明實測流場與假想流場存在偏差，假想圓管側(cè)壁對回流無影響是不成立的，圓管側(cè)壁對回流的影響非常大．

當選取的片光測量垂直面與圓管軸線距離不大于 25,mm時，實驗結(jié)果和仿真結(jié)果相符，略小于式(1)計算結(jié)果，說明圓管側(cè)壁對靠近圓管軸線垂面的流場影響還較小，主回流區(qū)流動主要是楔形繞流．當選取的片光測量垂直面與圓管軸線距離大于 25,mm后，實驗結(jié)果和仿真結(jié)果相符，與式(1)計算結(jié)果有較大偏差．這是由于片光測量垂直面與圓管軸線距離越大，片光測量垂直面越靠近圓管側(cè)壁，該位置上的回流受圓管側(cè)壁及其邊界層流動的影響越明顯．在圓管側(cè)壁附近，展向回流渦與側(cè)壁與楔形表面所夾角區(qū)生成的流向二次渦相互作用，形成復(fù)雜的三維湍流，湍流引起的強烈垂直壁面的法向動量交換嚴重抑制了展向回流渦的產(chǎn)生和發(fā)展，使展向回流渦很快消失．在距離圓管軸線35,mm處的垂直面上，已無法觀測到回流渦．

圖 11為 CFD數(shù)值仿真結(jié)果中，楔形下游距離楔形頂邊 40,mm處的圓截面速度矢量．該圓截面上的速度矢量在TRPIV實驗中較難觀測，使用CFD數(shù)值仿真可以對實驗觀測起很好的補充作用．從圖中可以清晰看出圓管底部楔形下游兩側(cè)的流向二次渦幾乎占據(jù)楔形下游的整個區(qū)域．正是這種三維湍流抑制了展向回流渦的產(chǎn)生和發(fā)展，使展向回流渦很快消失.

圖11 楔形下游圓截面速度矢量Fig.11 Velocity vector of circular cross section at downstream of wedge

3 結(jié) 論

(1) 流動介質(zhì)流經(jīng)楔形時，受楔形背流面逆壓梯度的影響而產(chǎn)生分離流和自由剪切層，在楔形下游一定位置處剪切層重新附著壁面，在楔形背流面和附著點之間形成主分離渦和回流區(qū)．

(2) 實驗發(fā)現(xiàn)，回流區(qū)歸一化長度不是隨雷諾數(shù)單調(diào)增長的．當雷諾數(shù) Re＜4×104時，回流區(qū)歸一化長度隨雷諾數(shù)增大而增大；在雷諾數(shù)Re＝4×104時達到最大值；Re＞4×104時，回流區(qū)歸一化長度隨Re的增大而減?。斍皧A角大于 45°或后夾角大于 45°，雷諾數(shù)Re＞8×104時，在楔形下游角區(qū)產(chǎn)生小的二次分離展向渦，將主分離渦推向下游，使回流區(qū)歸一化長度再度增大．對不同幾何尺寸圓管楔形流場數(shù)據(jù)分析可知，楔形前夾角越大，楔形下游的回流區(qū)歸一化長度越大．楔形后夾角越大，楔形下游的回流區(qū)歸一化長度也越大．楔形前夾角越大，渦心的 x方向距離和y方向距離越大．楔形后夾角越大，渦心的x方向距離越大，而y方向距離越小.

(3) 通過PIV實測和CFD仿真發(fā)現(xiàn)，楔形下游展向回流渦受圓管側(cè)壁影響非常明顯．圓管楔形流場與后向臺階流場中都存在流向二次渦引起的三維湍流，湍流引起的強烈動量交換嚴重抑制了展向回流渦的產(chǎn)生和發(fā)展．不同的是，后向臺階流場中可以通過增大展高比弱化側(cè)壁影響．而在圓管楔形流場中，由于圓管側(cè)壁影響形成的流向二次渦幾乎占據(jù)楔形下游的整個區(qū)域，使展向回流渦在靠近圓管側(cè)壁時很快消失．

［1］ 于洪仕，張 濤，趙珊珊，等. 多孔孔板流量計流場仿真[J]. 天津大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2014，47(1)：61-66.

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(責(zé)任編輯：孫立華)

TRPIV Measurement of Flow Field Around Wedge in Circular Pipe

Hu Yue1,2，Yao Shiyong3，Zhang Tao1,3，Jiang Nan3
(1. School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Civil Aviation ATM Research Institute，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China；3. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Based on high time resolution particle image velocimetry(TRPIV)，research on flow field around wedge in circular pipe was carried out. With Re between 2×104and 1.6×105，five kinds of flow field around wedge in circular pipe were carefully measured with the high time resolution. The result shows that the recirculating-flow region length Xrat the downstream of wedge and the x coordinate of vortex core increase with the increase of wedge fore angle and back angle. The y coordinate of vortex core increases with the increase of wedge fore angle，but increases with the decrease of wedge back angle. The boundary of recirculating-flow region is strongly influenced by the secondary seperation flow along the sidewall of circular pipe.

circular pipe；wedge；length of recirculating-flow region；particle image velocimetry

O357.1

A

0493-2137(2015)04-0285-06

10.11784/tdxbz201309107

2013-09-29；

2013-10-30.

國家自然科學(xué)基金資助項目(11332006，11272233，61101227)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB720101)；天津大學(xué)自主創(chuàng)新科研基金資助項目；中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點實驗室開放課題聯(lián)合資助項目．

胡 岳（1982— ），男，博士，助理研究員，huyue@tju.edu.cn.

張 濤，zt50@tju.edu.cn.

時間：2014-06-27.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201309107.html.