水平槽道冷態(tài)氣固兩相湍流邊界層中顆粒分布及顆粒尾流特性的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、氣固兩相湍流廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，而邊界層內(nèi)固體顆粒的分布及運(yùn)動(dòng)特性直接影響流體的流動(dòng)阻力，顆粒對(duì)壁面的磨損。氣固兩相湍流邊界層的測(cè)量對(duì)優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施、實(shí)現(xiàn)能源高效清潔利用具有指導(dǎo)意義，本文采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，研究了數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于氣固兩相流測(cè)量的可行性。搭建水平槽道流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合數(shù)字全息和粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）研究了邊界層內(nèi)固相顆粒的分布特性和氣相流動(dòng)結(jié)構(gòu)，測(cè)量了煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)速度，利用全息PTV算法

2、獲得了顆粒的三維速度，運(yùn)用PIV研究了不同顆粒雷諾數(shù)下壁面對(duì)顆粒尾流結(jié)構(gòu)的影響。主要內(nèi)容如下：
　　1.數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于多相流顆粒場(chǎng)測(cè)量
　　通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究激光數(shù)字全息技術(shù)測(cè)量不同粒徑、濃度分布的多相流場(chǎng)顆粒粒徑、三維位置，說(shuō)明應(yīng)用數(shù)字全息技術(shù)測(cè)量幾微米到幾十微米顆粒的粒徑分布和空間位置具有可行性；顯微全息測(cè)量小顆粒時(shí)，大顆粒的存在會(huì)影響小顆粒的粒徑測(cè)量和z軸定位的準(zhǔn)確性，當(dāng)顆粒可見(jiàn)度太小時(shí)，顆粒的測(cè)量誤差增大，甚至不

3、能被識(shí)別；分析測(cè)量結(jié)果表明對(duì)樣品顆粒的均勻分散是精確獲得樣品粒徑分布和空間位置的重要環(huán)節(jié)。
　　2.水平槽道中固相顆粒的分布特性和氣相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)
　　利用數(shù)字全息技術(shù)三維、非接觸的測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)對(duì)水平槽道內(nèi)充分發(fā)展的氣固兩相湍流邊界層中固相顆粒的分布特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：流體處于層流時(shí)，流速較低，對(duì)顆粒的夾帶能力大大減弱，顆粒基本沉積在壁面上。隨著流速升高，達(dá)到湍流狀態(tài)，顆粒分布的峰值出現(xiàn)在對(duì)數(shù)律區(qū)。隨著顆粒粒徑的增加，峰值

4、移向壁面；隨著流體速度的增加，峰值移向槽道中心。不規(guī)則顆粒在與壁面碰撞作用下，其旋轉(zhuǎn)速度達(dá)幾百轉(zhuǎn)每秒，且隨著流速的升高轉(zhuǎn)速增大。顆粒向壁面運(yùn)動(dòng)主要受重力作用以及準(zhǔn)流向渦下掃事件的影響，顆粒遠(yuǎn)離壁面運(yùn)動(dòng)受Magnus升力、噴射事件以及顆粒與壁面碰撞的影響。向壁面運(yùn)動(dòng)的顆粒由于經(jīng)過(guò)流體攜帶加速，速度較高；而遠(yuǎn)離壁面的顆粒經(jīng)過(guò)與壁面的碰撞，有很大的動(dòng)量損失，速度較低，造成向壁面運(yùn)動(dòng)顆粒的平均速度要高于遠(yuǎn)離壁面顆粒的速度。
　　3.顆粒尾

5、流特性的PIV實(shí)驗(yàn)研究
　　研究了水平槽道湍流邊界層中不同顆粒雷諾數(shù)，顆粒位置對(duì)顆粒尾流的回流區(qū)長(zhǎng)度，速度場(chǎng)以及渦量場(chǎng)的影響，結(jié)果表明：在G/D=0時(shí)，顆粒下部的漩渦脫落已完全被抑制，其尾部只有一個(gè)順時(shí)針回流區(qū)。隨著顆粒與壁面距離的增加，在顆粒后緣會(huì)出現(xiàn)一對(duì)回流區(qū)——上方回流區(qū)的漩渦呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而下方呈逆時(shí)針，且壁面對(duì)顆粒尾流結(jié)構(gòu)的影響逐漸減弱。當(dāng)顆粒與壁面間距較大時(shí)（G/D=1.0），顆粒的上下分別會(huì)形成速度梯度較高的剪切層，

6、兩排漩渦結(jié)構(gòu)分別從顆粒的上方和下方分離脫落，隨后在顆粒尾部相遇后抵消匯合。分析此時(shí)顆粒尾流在近壁面處的速度分布，發(fā)現(xiàn)壁面邊界層的狀態(tài)并沒(méi)有被顆粒底部的剪切層改變，而且距離顆粒越遠(yuǎn)，顆粒的這一影響越小。分析顆粒尾部渦量場(chǎng)說(shuō)明，在間距G/D=1.0時(shí)，顆粒尾部上方和下方都有漩渦脫落，且隨著顆粒雷諾數(shù)的增加其峰值明顯增大。隨著顆粒與壁面距離的減小，壁面的存在使得下方的渦量值減小，同時(shí)下方渦脫落引起的壁面剪切層的渦量值也有所減少。當(dāng)G/D=0時(shí)