管流測(cè)試中激光技術(shù)的應(yīng)用及分析

王 軍耿 介李 東王心慧

（1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東建筑大學(xué)，濟(jì)南 250101）

管流測(cè)試中激光技術(shù)的應(yīng)用及分析

王 軍1,2耿 介1李 東1王心慧2

（1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東建筑大學(xué)，濟(jì)南 250101）

利用二維頻移激光多普勒測(cè)速儀對(duì)管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行速度場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，隨雷諾數(shù)的增加軸向速度增長(zhǎng)較快，平均速度剖面圖顯示出流動(dòng)逐步由過(guò)渡區(qū)進(jìn)入紊流區(qū)；徑向速度在接近管軸區(qū)域時(shí)，由于主流區(qū)的作用變化較為平緩，遠(yuǎn)離管軸的區(qū)域徑向速度的波動(dòng)幅度和頻率隨雷諾數(shù)的增加而變大，近管壁區(qū)由于粘性力作用的增強(qiáng)，徑向速度的數(shù)值和波動(dòng)幅度顯著降低。

管內(nèi)流動(dòng) 激光 雷諾數(shù) 粘性力

引言

管內(nèi)流動(dòng)是工業(yè)過(guò)程中最常見(jiàn)的現(xiàn)象之一，流體在管內(nèi)的流動(dòng)是不穩(wěn)定的，其流體動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜。科研人員對(duì)管流的研究做了大量工作，由于其流動(dòng)性質(zhì)具有特殊性，因此，對(duì)它的研究具有重要意義。激光自出現(xiàn)以來(lái)，在多數(shù)場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用，對(duì)速度的測(cè)量是其中的一個(gè)重要方面，激光測(cè)速技術(shù)在流場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用可以獲得更多的流場(chǎng)信息。傳統(tǒng)測(cè)速方法需要把測(cè)速裝置布置在流場(chǎng)中，對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生一定影響，使誤差增大，激光測(cè)速技術(shù)的應(yīng)用有效解決了這個(gè)問(wèn)題。多普勒測(cè)速儀利用布置在流場(chǎng)外的激光發(fā)射器照射流動(dòng)顆粒，利用顆粒本身的特性獲得流場(chǎng)詳細(xì)信息，不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，具有較高的準(zhǔn)確度，因此，在很多場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用[1]。

1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

多普勒測(cè)速儀[1-2]利用運(yùn)動(dòng)顆粒散射光的多普勒頻移來(lái)獲得顆粒速度信息，大多數(shù)顆粒如空氣中的塵埃、水流中的雜質(zhì)等，它們的尺寸和濃度都可以滿足多普勒測(cè)速的要求，而且都可以隨流體較好地流動(dòng)，因此，通過(guò)多普勒測(cè)試可以獲得流場(chǎng)的詳細(xì)信息。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水循環(huán)系統(tǒng)和多普勒測(cè)試系統(tǒng)組成。測(cè)試段采用直管段，用有機(jī)玻璃材料制作。多普勒測(cè)試系統(tǒng)[3-5]如圖1所示，主要由激光發(fā)生器、入射光系統(tǒng)、接收光系統(tǒng)，信號(hào)處理器、計(jì)算機(jī)、坐標(biāo)架系統(tǒng)組成。

圖1 多普勒測(cè)速系統(tǒng)

2 系統(tǒng)調(diào)整及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 系統(tǒng)調(diào)整

水循環(huán)系統(tǒng)[6]負(fù)責(zé)流動(dòng)狀態(tài)的維持和流動(dòng)的調(diào)整，通過(guò)控制閥門的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)管內(nèi)的流量，以形成不同流態(tài)下的流動(dòng)。半導(dǎo)體激光器的發(fā)射光單元放置在主導(dǎo)軌上，在導(dǎo)軌上通過(guò)搖臂滑動(dòng)可適當(dāng)移動(dòng)位置，對(duì)不同位置進(jìn)行測(cè)量，激光器發(fā)射出的三束入射光應(yīng)嚴(yán)格相交。

接收光單元的接收透鏡光軸線應(yīng)盡量與入射光單元的光軸線位于同一軸線上，確保接收器高度與入射光單元一致。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

半導(dǎo)體激光器對(duì)環(huán)境溫度比較敏感，工作前一般應(yīng)預(yù)熱30min，保證激光發(fā)射器工作的穩(wěn)定性。按照三維坐標(biāo)架的技術(shù)參數(shù)對(duì)LDV進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)管內(nèi)流動(dòng)特點(diǎn)，近壁處流速變化較大，進(jìn)入主流區(qū)后變化趨緩，近壁處測(cè)點(diǎn)布置加密以便反映流動(dòng)特點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 LDV和DPIV的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

選取Re=5 400的軸向速度分布進(jìn)行分析，該流動(dòng)雷諾數(shù)和Westerweel實(shí)驗(yàn)里的雷諾數(shù)非常接近，對(duì)本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Westerweel的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[7]。

圖2 LDV和DPIV的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖2給出了圓管流動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在圖2中，Wester代表Westerweel[7]的DPIV結(jié)果。從圖中可以看出，平均速度剖面在該雷諾數(shù)下的趨勢(shì)和Wester實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。相比在遠(yuǎn)壁段兩種實(shí)驗(yàn)的吻合度較高，在近壁端，由于管壁影響的微小差別，吻合的趨勢(shì)有一定變化，但速度變化的總體趨勢(shì)一致。

3.2 流場(chǎng)軸向速度變化情況分析

通過(guò)閥門調(diào)節(jié)控制流態(tài)變化，獲得速度場(chǎng)的分布。選取了雷諾數(shù)為2000、2400、3800、5400和7800五種流態(tài)下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，考慮到流場(chǎng)的瞬時(shí)性和突變性，為了更好地反映速度變化情況，比較不同流態(tài)下的流場(chǎng)變化，把相關(guān)參數(shù)無(wú)量綱化，以便在同一基準(zhǔn)上對(duì)流動(dòng)作進(jìn)行分析。

圖3 軸向速度分布圖

圖3為軸向速度分布圖，r以管中心為起點(diǎn)，管內(nèi)壁為終點(diǎn)。由圖3可看出，脫離近壁區(qū)后為主要加速區(qū)，由于粘性力的影響減小，隨雷諾數(shù)的增加，軸向速度增加較快。雷諾數(shù)較低時(shí)，軸向速度曲線比較平緩，雷諾數(shù)大于5 400時(shí)，曲線形狀變化比較明顯。當(dāng)Re=2 000，r/D小于0.475時(shí)，流動(dòng)區(qū)域逐漸向管中心移動(dòng)，軸向速度出現(xiàn)較大幅度增加；當(dāng)Re=5 400，r/D小于0.487時(shí)，軸向速度才出現(xiàn)較明顯的變化，說(shuō)明隨流動(dòng)雷諾數(shù)的增加，主流區(qū)的范圍擴(kuò)大。不同雷諾數(shù)的流動(dòng)均在管道中心軸上獲得最大速度，隨雷諾數(shù)的增加，最大速度的數(shù)值有較大幅度提升。

3.3 流場(chǎng)徑向速度變化分析

圖4 徑向速度絕對(duì)值分布圖

圖4為不同雷諾數(shù)下徑向速度取絕對(duì)值后的分布情況，雷諾數(shù)為3 800時(shí)，徑向速度近似為零，隨測(cè)量點(diǎn)位置的變化，徑向速度變化不明顯。雷諾數(shù)為5 800時(shí)，徑向速度絕對(duì)值波動(dòng)趨勢(shì)增強(qiáng)，距離管軸線較近時(shí)，波動(dòng)較平緩，隨著與管軸線距離的增加，波動(dòng)的幅度變大，而且波動(dòng)的情況具有隨機(jī)性。雷諾數(shù)達(dá)到7 800時(shí)，徑向速度波動(dòng)的幅度進(jìn)一步增加，和雷諾數(shù)為5 800時(shí)相比，在距離管軸線較近的位置，徑向速度就出現(xiàn)了較大幅度變化，且波動(dòng)的幅度、頻率、隨機(jī)性要高于雷諾數(shù)為5 800時(shí)的情況。

雷諾數(shù)為5 800和7 800時(shí)，在距管軸線較近的位置，徑向速度絕對(duì)值的變化都比較平緩，但前者更為明顯，原因是雷諾數(shù)為5 800時(shí)，流動(dòng)受主流區(qū)的影響較大，隨著逐漸遠(yuǎn)離主流區(qū)，兩種雷諾數(shù)下的徑向速度都出現(xiàn)了較大變化，流動(dòng)進(jìn)入湍流區(qū)。

4 結(jié)論

（1）本文利用二維頻移激光多普勒測(cè)速儀對(duì)流體管內(nèi)流動(dòng)的速度分布進(jìn)行測(cè)試，獲得了不同流態(tài)下的速度曲線，在相近的雷諾數(shù)下，軸向平均速度分布測(cè)試結(jié)果和Westerweel的DPIV測(cè)試結(jié)果基本吻合，證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

（2）主流區(qū)流動(dòng)對(duì)徑向速度的變化有一定影響，特別是隨雷諾數(shù)的降低，這種影響逐漸加大，在距離管軸較近的位置，主流區(qū)軸向流動(dòng)較強(qiáng)，造成徑向速度波動(dòng)趨緩，隨著距管軸距離的增加，徑向速度波動(dòng)的幅度變大。

（3）流動(dòng)過(guò)程中，粘性力對(duì)徑向速度的變化有明顯作用。雷諾數(shù)較小時(shí)，粘性力的影響較大，徑向速度波動(dòng)的幅度減小且絕對(duì)值下降明顯，隨雷諾數(shù)的增加，雖然徑向速度波動(dòng)幅度增加，但近壁處受到粘性力作用，速度絕對(duì)值快速下降。

[1]沈熊.激光多普勒測(cè)試技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]F.杜斯特，A.梅林，J.H.懷特洛.激光多普勒測(cè)速技術(shù)的原理和實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

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[6]Liu Yonghui, Du Guangsheng,Liu Liping,Shao Zhufeng,Zhai Chengyuan.Experim-ental Study of Velocity Distribution in the Transition Region of Pipes[J]. Journal of Hydrodyn-amics，2011，（5）：643-648.

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Application and Analysis of Laser Technology in Pipe Flow

WANG Jun1，2,GENG Jie1, LI Dong1,WANG Xinhui2
(1.School of Energy and P ower Engineering, Shandong University, Jinan 250061;2.Shandong Jianzhu University,Jinan 250101)

A t wo-dimensional Laser Doppler Velocimetry was utilized to test the velocit y field of a pipe.The t est results show that axial velocity is increas ed with the improvement of the Reynolds number, the profile of average velocity shows that the flow is gradually shifted from the transition zone to the turbulent region. Radial velocity near the pipe axis changes more gently by the action of mainstream area; with the increase of the Reynolds number, the amplitude and frequency of radial velocity fluctuation are improved in the area away from pipe axis. Because of the effect of viscous force the value and fluctuation amplitude of radial velocity decreases significantly in the region near the pipe wall.

pipe flow, laser, reynolds number, viscous force