噴口間距對雙矩形平行射流流場的影響

劉鵬遠(yuǎn)，張海，吳玉新，張縵，呂俊復(fù)

（清華大學(xué)熱能工程系，熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

噴口間距對雙矩形平行射流流場的影響

劉鵬遠(yuǎn)，張海，吳玉新，張縵，呂俊復(fù)

（清華大學(xué)熱能工程系，熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

用激光粒子測試儀(PIV)測量了雙矩形噴口平行射流的流場特性，研究了不同噴口速度、不同噴口間距下雙射流的混合特性。結(jié)果表明，噴口速度增大，雙射流對稱線上速度絕對值增大，但速度最大值出現(xiàn)的位置基本不變。噴口間距增大后，雙射流的混合推遲，合并點后移，傳遞到對稱線上的動量減弱，在合并點上的最大速度值減小。間距比與合并點的關(guān)系呈線性；但與大間距比相比，小間距比對合并點的影響更為敏感，關(guān)聯(lián)式斜率更大。對湍流特性分析發(fā)現(xiàn)，雙射流的主要動量傳遞發(fā)生在混合區(qū)，噴口間距增大，混合區(qū)與噴口的距離增加。

PIV；雙射流；合并點；湍流；測量；流體力學(xué)

Abstract:Flow and mixing characteristics of two parallel jets were studied using PIV measurements at different velocities and distances between centers of two nozzles.The results showed that absolute velocity along symmetric line rose but the point of maximum combined velocity barely changed as velocities at nozzle exits were increased.With distance increase between two nozzles,the parallel jets displayed delay in merging process,moving down of combining point,decrease of momentum transported to the symmetric line,and reduce of maximum velocity at combining point.A linear relationship was observed between the spacing ratio and the combining point.Compared to large spacing ratio,small spacing ratio had more obvious impact on the combining point and thus the slope was larger.The turbulence characteristics indicated that main momentum transfer between the two parallel jets occurred in the merging region.As the spacing between two jets was increased,the merging region moved away from nozzle exits.

Key words:PIV; two parallel jets; combining point; turbulent flow; measurement; fluid mechanics

引 言

大空間內(nèi)的平行射流是自由剪切湍流的一種基礎(chǔ)模式，被廣泛應(yīng)用于化工反應(yīng)器、鍋爐燃燒系統(tǒng)和航空航天飛行器等工業(yè)設(shè)備中。平行射流間的流動特征決定了射流組的能量輸運、化學(xué)燃燒及污染物生成等過程。雙射流是平行射流的基本形式，也是人們認(rèn)識剪切湍流特性的重要途徑，相關(guān)的流動研究受到重視。

國內(nèi)外多個學(xué)者對雙射流做過研究，一般認(rèn)為平行射流的流動結(jié)構(gòu)沿主流方向可以分為收斂區(qū)、混合區(qū)和合并區(qū)3個區(qū)域。將平行射流對稱中心線上回流消失、軸向速度為零的點定義為混合點 MP（merging point）；而將兩股射流消失合并成一股射流、軸向速度達(dá)到最大的點定義為合并點 CP（combining point）[1-2]。收斂區(qū)位于射流離開噴口后、混合點以前。在收斂區(qū)內(nèi)，射流對周圍靜止流體的夾帶作用使兩股射流之間形成了一個低壓區(qū)，導(dǎo)致兩股射流會向?qū)Ψ狡?，在兩射流之間形成回流區(qū)。隨著射流的發(fā)展，兩股射流開始相互接觸，此后的一段區(qū)域成為混合區(qū)，即混合點和合并點之間的區(qū)域。在混合區(qū)內(nèi)，射流間劇烈混合，回流消失，橫截面上速度呈現(xiàn)兩個峰值。在合并點以后為合并區(qū)，兩股射流合并為一股射流，射流呈單峰分布。

關(guān)于平行射流的特性，學(xué)者們主要利用實驗[3-12]和數(shù)值計算的方式[13-19]來開展相關(guān)研究。從這些研究可以看出速度場和湍流特性的分布受噴口間距D和噴口寬度a的比值（噴口間距比，D/a）的影響很大。其中，Wang等[3]用水作為介質(zhì)，使用激光粒子測試儀 (PIV)測量了雙射流的流動特性，發(fā)現(xiàn)噴口附近兩射流中間存在一個狹長的低湍流強度區(qū)域。Anderson等[13]用空氣作為介質(zhì)，熱線風(fēng)速儀測速，發(fā)現(xiàn)對D/a=9的平行射流CP=19a。Abdel-Salam等[14]的數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)a和D是影響MP和CP位置的重要因素，且基本呈線性關(guān)系。Lin等[5]給出了MP和D/a的關(guān)聯(lián)式，但同時指出該關(guān)聯(lián)式僅適用于D/a比較大（≥ 30）的工況，對D/a＜ 30的工況并不適用。總之，大部分結(jié)論均表明CP和D/a基本呈線性關(guān)系，但不同研究者得到的斜率不同。表1給出了文獻(xiàn)中關(guān)于雙噴口平行射流流場研究的一些主要結(jié)論。

表1 雙平行射流研究文獻(xiàn)綜述Table 1 Summary of literatures on flow field study of two parallel jets

目前關(guān)于D/a對噴口外流場的影響研究主要基于數(shù)值計算，使用精確的測量方法開展噴口間距對流場影響的研究還很缺乏。部分研究主要針對D/a較大的情況，缺少較小D/a情況下的CP和D/a的關(guān)聯(lián)式；而實際上，如鍋爐燃燒器等設(shè)備所采用的平行射流常在D/a＜ 10范圍內(nèi)[20-22]。因此為了研究噴口間距對雙射流混合的影響，本文在噴口長寬比AR=10的雙噴口結(jié)構(gòu)下，用PIV測量平行射流沿程的速度場和湍流強度的分布，研究不同速度和不同間距比對平行射流流場的影響，分析不同間距比對混合特性的影響。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)如圖1所示。實驗箱為有機玻璃制作的立方體，長、寬和高分別為300、300和800 mm。平行噴口布置在實驗箱頂部，共比較了4種雙噴口結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)一、二、三為噴口長度L=100 mm，寬度a=10 mm，噴口中心線間距分別為D=40，50，70 mm，對應(yīng)噴口間距比D/a=4，5，7。結(jié)構(gòu)四為按照某實際鍋爐燃燒器1:5比例縮小，L=108 mm，a=18.5 mm，D=29.6 mm，間距比D/a=1.6。

圖1 平行射流實驗系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of experimental system with two parallel jets

空氣由羅茨空壓機提供，示蹤粒子跟隨空氣氣流一起進(jìn)入雙噴口。射流離開噴口后進(jìn)入封閉的立方體，立方體壁面尺寸的選取以不干擾氣流的發(fā)展為原則。噴口出口速度分別為u0=10，12，16 m·s?1，對應(yīng)的 Reynolds數(shù)（Re=u0d0/ν）為 12750、15300和 20400，其中，u0為射流噴口速度，d0為噴口當(dāng)量直徑，ν是空氣運動黏度。氣速的選取范圍主要參考燃用無煙煤的鍋爐里一次風(fēng)速度而定。選取的觀察截面為沿寬邊方向中心點處，主要用來觀察兩股射流的混合情況。

1.2 PIV實驗系統(tǒng)

平行射流出口流場采用PIV測量。PIV系統(tǒng)由丹麥Dantec Dynamics公司生產(chǎn)，激光器由美國New Wave公司生產(chǎn)，型號為Solo-120-XT型Nd: YAG型。激光器單脈沖能量200 mJ，波長532 nm。CCD相機配備Nikon 105 mm定焦鏡頭，感光元件像素為2048×2048，PIV系統(tǒng)自帶的同步控制系統(tǒng)協(xié)同激光器、CCD 相機及計算機的動作。在同步器的控制下，激光器按設(shè)定的時間間隔先后向測量區(qū)域發(fā)射兩束激光，CCD相機同步進(jìn)行兩次拍攝，取得兩幀測量區(qū)域流場圖片，然后應(yīng)用相關(guān)軟件中的自適應(yīng)相關(guān)算法對圖片信息進(jìn)行處理[23-25]。PIV給出的圖像信號經(jīng)過相關(guān)分析后，得出的是示蹤粒子的速度；因此，示蹤粒子能否較為準(zhǔn)確地反映流場的速度是關(guān)鍵。主要從粒子的散射特性和跟隨特性來考慮進(jìn)行選擇。粒子的散射特性可以用粒子材料的相對折射指數(shù)來表示，為了獲得較好的散射信號，相對折射指數(shù)應(yīng)大于 1。粒子的跟隨特性用Stokes數(shù)St描述。St?1時，表明示蹤粒子能夠很好地跟隨氣流運動，從而反映準(zhǔn)確的流場信息[26]。綜上考慮，為保證示蹤粒子的跟隨性和散散性能，選擇St?1同時相對折射指數(shù)大于 1的1 μm左右的 SiC粉末作示蹤粒子[27]。示蹤粒子主要物性見表2。

表2 示蹤粒子物性Table 2 Tracing particles properties

2 實驗結(jié)果

每個工況拍攝N=100張PIV圖片，主流方向的平均速度U，反映湍流強度的速度脈動值Urms及雷諾剪切應(yīng)力u′v′分別取時間平均值，計算見式（1）～式（3）。其中，u′為軸向脈動速度，v′為徑向脈動速度，〈〉代表平均值。

主流方向平均速度

主流速度脈動值

雷諾剪切應(yīng)力

2.1 噴口速度對雙射流混合的影響

在矩形噴口長邊為L=100 mm，短邊為a=10 mm，間距比D/a=5時，分別考察噴口速度為V=10,12，16 m·s?1時，對雙射流混合的影響。

由圖2顯示的對稱線速度變化可知，隨著射流的發(fā)展，雙射流中間的低壓區(qū)會吸引射流向中間偏斜，對稱線處軸向速度逐漸增大，在合并點CP處對稱線速度達(dá)到最大值Umax，此時兩股射流合并為一股射流，同時看出不同速度時CP出現(xiàn)的位置基本一致，在25倍噴口寬度的距離處（CP=25a）。噴口速度只影響CP速度的絕對值，如圖2(a)所示。噴口速度越大，則噴口動量越強，對稱線上速度的絕對值越大。但將速度用噴口初始速度量綱1化后不同噴口速度下曲線的變化基本一致[圖2(b)]。

圖2 雙噴口對稱線速度變化Fig.2 Mean streamwise velocity along symmetry axis of two parallel jets

因此噴口初始速度不同，不影響兩股射流的合并點位置，僅影響對稱線上速度的絕對值。根據(jù)冷態(tài)?；韀28]，對大長寬比矩形噴口，臨界Reynolds數(shù)大約為10000，超過此Reynolds數(shù)則可認(rèn)為射流的流動特性即趨于不變。對長寬比 AR =10的矩形噴口，臨界 Reynolds數(shù)對應(yīng)的噴口速度約為 8 m·s?1，則實驗時噴口速度大于 8 m·s?1雙射流的流動特性趨于不變。

2.2 不同噴口間距瞬態(tài)顆粒散射圖

不同噴口間距比工況下，PIV測得的瞬態(tài)顆粒散射如圖3所示。圖中較亮區(qū)域表示顆粒濃度較高。雙射流剛離開噴口時為兩股獨立的射流，顆粒濃度較高區(qū)域主要沿射流方向；隨著射流的進(jìn)行，顆粒逐漸開始向中間和外側(cè)擴散；且隨著雙射流間距比的增大，兩股射流的混合推遲。結(jié)合后續(xù)章節(jié)對時間平均后的速度矢量場分析，可以進(jìn)一步觀察間距比變化后對射流合并點以及合并強度的影響。

圖3 不同噴口間距比條件下的顆粒瞬態(tài)散射圖Fig.3 Instantaneous scattering images for two parallel jets at different nozzle spacing

2.3 不同噴口間距下速度矢量場分布

圖4 不同間距比下的平均速度矢量圖Fig.4 Time-averaged velocity vector contours in section 1 plane at variousD/a(unit: m·s?1)

保持噴口速度U0=12 m·s?1，考察噴口間距比D/a=4,5,7時，噴口近場速度矢量的變化。如圖4所示。由圖4可知，雙射流以雙噴口間距的中心線為軸呈現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)，隨著射流的發(fā)展，雙射流開始收斂，彼此向中間傾斜，開始混合。隨著兩噴口間距的增加，兩股射流開始相互發(fā)生作用的混合點推遲，射流內(nèi)剪切層開始相交的距離增加，射流的混合延遲。對于D/a=4，在離開噴口150 mm距離處，雙射流已開始了明顯的混合過程，但當(dāng)噴口間距增加到D/a=7時，相同距離處的混合程度沒有短距離時強烈。

2.4 不同噴口間距下橫截面速度分布特性

保持噴口速度U0=12 m·s?1，噴口中心線間距D/a=4,5,7時離開噴口不同截面上速度分布特性如圖5所示，圖中箭頭長度（mm）和速度大小(m·s?1)比例為1:1。

圖5 離噴口不同距離處速度分布Fig.5 Velocity distributions at differentZlocations in section 1 plane at differentD/a(unit: m·s?1)

在離開噴口Z=50 mm的截面上，對于不同間距的射流，均呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)分布。兩射流外邊界側(cè)速度基本為0，說明動量還沒傳遞到外側(cè)。當(dāng)D/a=7時，兩射流內(nèi)邊界側(cè)速度接近為零，但當(dāng)D/a=5和D/a=4時，兩射流有動量傳遞，對稱線處速度約1 m·s?1。發(fā)展到Z=150 mm截面，射流之間均已發(fā)生了明顯的動量傳遞。當(dāng)D/a=4時，雙射流兩個峰值消失，逐漸合并為單一射流；當(dāng)D/a=5,7時，射流仍然有雙峰值的存在，但峰值速度下降，對稱線處速度升高；且射流向外擴展，覆蓋區(qū)域增大。在Z=270 mm截面處，對于不同的間距，雙射流均已合并成單射流，整個橫截面只有一個峰值，并由中間向兩側(cè)擴展。但D/a=7的峰值速度要小于D/a=4,5的峰值速度，說明間距增大后，向中間傳遞的動量有所減弱，而傳遞到射流外邊界的動量增加。

2.5 對稱線速度的變化特性

噴口中心線不同間距D/a=1.6,4,5,7時噴口對稱線上速度的變化如圖6所示。

圖6 雙噴口對稱線速度變化Fig.6 Mean streamwise velocity along symmetry axis of two parallel jets

對于不同D/a的雙射流，對稱線上最大速度出現(xiàn)的點位置有所變化，D/a越大，最大速度點越推遲。在混合區(qū)，D/a=1.6速度升高速率最快，說明兩射流動量傳遞比大D/a的傳遞情況更為劇烈。D/a增大后，兩股射流完全合并的CP越靠后。對于D/a=1.6，4，5，7，CP分別出現(xiàn)在CP=6.5a,19a,23a，26.5a處。對于間距比為1.6的矩形平行射流燃燒器，煤粉氣流的著火距離為10a～13a[29-30]，合并點要短于煤粉氣流的著火點。隨著D/a的增大，最大速度值也下降，最大速度處Umax/U0分別為0.7、0.55、0.5、0.4左右，說明傳遞到射流中間的動量隨著間距的增大而逐漸變小，兩股射流在中間的混合強度減弱，有更多動量傳遞到射流的外側(cè)。

圖7 CP位置Zcp和間距比的關(guān)系Fig.7 Variation in combined point for differentD/a

提取D/a和CP點離噴口的距離（Zcp）的關(guān)系，可以得到如圖7所示的變化關(guān)系。Lin等[5]通過實驗以及Durve等[15]通過數(shù)值計算得到的Zcp和D/a的關(guān)系也同時在圖中標(biāo)出。由圖看出，Zcp和D/a基本呈線性關(guān)系，但在不同的D/a范圍下斜率卻差異較大。本實驗范圍內(nèi)經(jīng)過線性回歸后得到關(guān)聯(lián)式（4）。

Lin等得到的Zcp和D/a的關(guān)系式在預(yù)測D/a比較大（D/a＞ 30）時準(zhǔn)確率較高，但當(dāng)D/a較?。―/a＜30）時則并不適用。主要是因為當(dāng)D/a＞ 30時，MP離噴口較遠(yuǎn)，所以噴口射流的初始狀態(tài)如湍流強度、速度分布等對 MP出現(xiàn)的位置影響不明顯。Durve等通過數(shù)值計算得到的Zcp和D/a的關(guān)聯(lián)式在D/a＞10范圍內(nèi)的斜率要小于本文關(guān)聯(lián)式的斜率，表明在兩個噴口距離較近的情況下D/a對混合影響更顯著。

此外，本文實驗的出口湍流強度為 8%，而Durve等和Lin等的實驗的湍流強度分別為3.6%和0.8%。一般認(rèn)為出口湍流強度對速度場的影響主要集中在Z/a＜ 20 的范圍，出口較大的湍流強度也是導(dǎo)致測得的Zcp大于文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)的原因之一。

2.6 湍流強度的變化特性

為比較湍流特性，考察了不同D/a下軸向速度脈動的均方根，即Urms的變化。Urms反映了流體速度波動的絕對值。

從Urms分布看出，射流離開噴口后，噴口附近存在兩個狹長的核心區(qū)，核心區(qū)內(nèi)速度保持不變，脈動值為 0。雙射流之間存在低湍流區(qū)域，該區(qū)域的大小受雙射流間距的影響較大。當(dāng)D/a=4時，雙射流間距短，開始發(fā)生相互作用早，因此低湍流區(qū)域長度較D/a=5，7要略短一些。Urms的峰值分布在每個射流的內(nèi)外剪切層處，兩射流中間存在著低湍流區(qū)域。剪切層內(nèi)產(chǎn)生的速度脈動通過對流和擴散逐漸傳遞到射流中心，并向?qū)ΨQ線處偏移。隨著間距的增大，兩射流中間的低湍流區(qū)域增大，動量由外剪切層轉(zhuǎn)移到對稱線處變慢。對于D/a=4，隨著射流的進(jìn)行，Urms峰值逐漸降低，說明主要的動量傳遞發(fā)生在混合區(qū)，而不是合并之后的區(qū)域。

2.7 雷諾剪切應(yīng)力

雷諾剪切應(yīng)力〈u′v′〉反映了湍流運動的動量通量?！磚′v′〉的分布隨間距的變化如圖9所示。

圖8 不同噴口間距比下速度脈動分布Fig.8 Urmsprofiles for section 1 for variousD/a(m·s?1)

〈u′v′〉的分布同Urms分布相似，峰值分布在射流的內(nèi)外剪切層處。當(dāng)D/a=4時，峰值分布集中在Z=40～120 mm區(qū)域內(nèi)，說明此區(qū)域有很強的動量傳遞，而這也是雙射流的混合區(qū)。間距增大到D/a=7后，內(nèi)剪切層的〈u′v′〉峰值在Z=60～140 mm區(qū)域內(nèi)，比短間距的射流混合有所推遲。

圖9 不同噴口間距比雷諾應(yīng)力分布Fig.9 Reynolds shear stresses in section 1 for variousD/a(m2·s?2)

由圖10所示，在離開噴口Z=50 mm橫截面上，〈u′v′〉在不同的間距比工況下有4個峰值，分別位于兩射流外剪切層和內(nèi)剪切層處，且內(nèi)外剪切層峰值數(shù)值基本相同，說明在兩個剪切層發(fā)生的動量傳遞是接近的。不同間距比下〈u′v′〉出現(xiàn)的峰值位置不同。D/a=4時峰值更靠近雙噴口對稱線處（X/a=0），且數(shù)值要大于D/a=7時的數(shù)值，說明此截面上較小間距比的射流動量傳遞要更為強烈。當(dāng)射流發(fā)展到Z=150 mm截面處，對D/a=4 的射流，內(nèi)剪切層處〈u′v′〉峰值明顯下降，此時雙射流已接近合并為單射流，混合已基本完成，故內(nèi)剪切層處的〈u′v′〉值下降。外剪切層處峰值下降不明顯，說明此時的動量傳遞在外剪切層處更為強烈。D/a=5，7的射流，內(nèi)外剪切層〈u′v′〉峰值基本一致，說明雙射流之間的動量傳遞仍在繼續(xù)，混合未完成。

3 結(jié) 論

利用 PIV實驗系統(tǒng)研究了較小噴口間距比（D/a＜ 9）情況下D/a對雙矩形噴口平行射流流動混合的影響。主要結(jié)論如下。

（1）在噴口速度超過自?；瘏^(qū)臨界 Reynolds數(shù)后，速度對流場混合特性影響不明顯。噴口速度越大，雙射流對稱線上速度絕對值越大，但雙射流合并點CP的位置基本沒有變化。

圖10 離噴口不同距離處雷諾剪切應(yīng)力分布Fig.10 Reynolds stress distributions at differentZlocations

（2）雙射流噴口間距增加后，雙射流混合推遲，合并點出現(xiàn)的位置推遲。對于鍋爐里間距比為 1.6的平行射流燃燒器，合并點為6.5倍噴口寬度，短于煤粉氣流的著火點距離。CP離噴口的距離隨D/a呈線性增加，但在小D/a情況下變化更顯著，關(guān)聯(lián)式斜率更大。D/a增大后傳遞到射流中間對稱線上的動量減弱，CP的最大速度值減小。

（3）動量傳遞主要發(fā)生在雙射流混合區(qū)域，而D/a增大后，混合區(qū)離噴口距離增加。

（4）雙射流完全混合以前，內(nèi)外剪切層處雷諾應(yīng)力峰值相同。D/a變小后，內(nèi)剪切層處雷諾應(yīng)力峰值下降更快，而外剪切層峰值基本不變，說明內(nèi)剪切層處動量傳遞減弱，雙射流混合完成距離更短。

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Influence of nozzle spacing on mixing behavior of two parallel jets from rectangular nozzles

LIU Pengyuan,ZHANG Hai,WU Yuxin,ZHANG Man,Lü Junfu
(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)

TK 221；TK 229.6

A

0438—1157（2017）10—3708—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20170380

2017-04-10收到初稿，2017-06-15收到修改稿。

聯(lián)系人：張海。

劉鵬遠(yuǎn)（1982—），男，博士研究生，高級工程師。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2015BAA04B01）。

Received date:2017-04-10.

Corresponding author:Prof.ZHANG Hai,haizhang@tsinghua.edu.cn

Foundation item:supported by the National High Technology Research and Development Program of China(2015AA04B00).