矩形通道内纵向涡发生器作用下流场的PIV实验研究

闵春华，杨立新，齐承英，董江峰

（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2.邢台市热力公司，河北 邢台 054000）

纵向涡发生器是一种有效的被动式强化传热手段，受到了国内外学者的广泛关注[1-4]．为分析纵向涡发生器的强化传热机理，文献中研究了诱导涡与对流换热的关系，如Chen等[5]对矩形通道内三角形翼诱发的流场进行了强化传热实验，发现三角形翼涡发生器对流体轴向平均速度和轴向旋涡没有明显的影响，但会增加湍流动能．为分析流动结构，文献中出现了多种测量方法，如文献 [6-7]分别采用X型热线风速仪和四探头热线风速仪测量了通道内布置有矩形翼的瞬时速度和温度分布规律．文献[8]则采用了旋转探针技术．文献 [9]采用液晶显示技术比较了12种不同形状的涡发生器作用下的流动特性．文献 [5]采用激光多普勒测速仪对布置有三角形翼的通道的流动特征进行了实验研究．激光粒子图像成像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）作为一种最新的流动结构测试手段，受到了研究者的关注，如文献 [10]利用PIV技术对贴壁方柱湍流场进行了可视化研究．文献 [11]利用PIV技术对纵向涡发生器后的流动结构进行了测量．从以上文献中可以看出，PIV技术在流动可视化研究中具有重要前景，但用于分析矩形通道内不同结构的纵向涡发生器产生的二次流结构区别的研究成果尚不多见．

本文利用PIV技术对矩形通道内布置矩形翼及组合翼纵向涡发生器时的流动特性进行了测量，分析了旋涡的产生及发展规律．

图1 实验装置Fig.1 Experimental system

1 实验装置和实验方案

1.1 实验装置

实验装置由实验风洞、PIV系统和示踪粒子发生器等几部分构成，如图1所示．实验通道采用开式吸风方式，由有机玻璃板做成，保证激光顺利透过．通道横截面为矩形，几何尺寸为1200mm×160mm×40mm（长×宽×高）．

实验中采用的PIV系统由美国TSI公司生产，以Yag双枪激光器为光源，利用640像素×480像素的CCD相机，拍摄速度为15帧/s，采用同步器使激光器系统和CCD相机相匹配．在同步器上设置激光的工作方式（双脉冲式）、CCD的工作方式、脉冲的延迟时间和双脉冲的时间间隔等．系统工作时，CCD的帧同步信号是主同步信号，同步器通过捕捉CCD的脉冲信号，根据所设定的脉冲延迟时间和间隔时间来控制激光器发光．由CCD相机拍摄到的图片为TIFF格式，采用INSIGHT 3G后处理软件进行分析．

采用Rosco 1700型烟雾发生器，产生的颗粒直径为1～2m，可以满足实验测量的需要．产生的粒子无危害，不污染设备．示踪粒子在通道入口加入，保证粒子均匀分布，也不会干扰流场．

PIV测试不确定度受多个因素的影响，如镜头特性、激光片的与镜头的距离等．但这些因素对测量结果影响较小[12]．另外，示踪粒子的跟随性对测量结果影响较大，实验中示踪例子的直径为1～2m，在PIV测试精度要求范围内，故实际上对结果影响较小．

1.2 实验方案

实验的主要目的在于比较光通道和分别布置有矩形翼和组合翼的通道内的流动结构．实验通道及纵向涡发生器如图2所示．组合翼由矩形翼（这里称为主翼）的侧面垂直布置一较小的矩形辅翼构成．图中辅翼布置在主翼的上游，通过后面的分析会发现，辅翼布置在主翼的上游和下游对流动特性有一定影响．另外图中辅翼沿流动方向向下安装，后面分析结果表明，辅翼向上和向下安装产生的二次流有一定区别．主翼的攻角记为，辅翼的攻角记为 ．实验中，主翼攻角和辅翼攻角均为30°．

在矩形通道进口处布置一个热线风速仪用于测量风速．由于进口断面各处风速差别较小，可认为热线风速仪测得的风速为通道平均风速．

主翼尺寸为40 mm×30 mm×1.2 mm（长×宽×厚），辅翼尺寸为20mm×10mm×1.2mm（长×宽×厚）．涡发生器到通道入口距离为m=40 mm，辅翼在主翼上的位置为a=15 mm和b=20mm．各符号均标示于图2．

图2 实验通道及组合翼纵向涡发生器Fig.2 Theexperimental channel and combined wing vortex generator

实验中测量了5个断面的速度矢量，这5个断面到纵向涡发生器前端的距离分别为36 mm、42 mm、57 mm、114 mm和216mm．每次拍摄图片数量为1 500对，对每对图片的结果取时均值后再进行分析．

有机玻璃板能保证激光顺利透过，但会影响CCD相机拍摄清晰度．为避免有机玻璃板对实验的影响，实验中将CCD相机置于通道后端，而将引风机连接在通道上端，如图1所示．实验证明，该方法能有效捕捉被拍摄断面的速度分布．

2 实验结果及分析

图3所示为光通道不同断面处的二次流矢量图．受到CCD相机视角的影响，图中仅显示通道宽度的一半．实际上，在通道内布置一对纵向涡发生器后，可近似认为流动沿宽度方向对称．可以看出，在没有受到纵向涡发生器干扰的情况下，光通道内产生了二次流．这主要是因为受地球自转作用的影响，空气在通道中产生了旋转运动．比较不同断面处的二次流可以看出，纵向涡的强度沿流动方向逐渐减弱；当>114 mm时，旋涡破碎，形成多个小旋涡均匀分布在通道断面上．这可能是因为空气受到矩形通道4个直角的干扰，由地球自转引起的旋转强度被耗散而逐渐减弱，破坏了旋涡的进一步发展．但总体上光通道内二次流强度较弱，因此作者认为，该二次流对换热影响较小，详细研究有待深入展开．这一结论在本文后面分析纵向涡发生器作用下产生的二次流的特点时可得到验证．

图4所示为矩形翼在不同断面处产生的二次流．与光通道相比，旋涡强度和旋涡影响的范围均明显增加，如在=216 mm的断面上仍有明显旋涡．另外，在=42mm的断面上，在壁面附近产生一个角涡，但角涡强度较小，且随着流动的进行，角涡逐渐消失．图5所示为当辅翼背风且沿流动方向向下安装时，组合翼在不同断面处产生的二次流．可以看出，所产生的旋涡结构与矩形翼相似，但组合翼产生的主涡和角涡强度均比矩形翼产生的旋涡强度大．

图6所示为组合翼辅翼沿流动方向向下安装时迎风位置和背风位置产生的二次流的区别．可以看出，辅翼背风安装时，角涡靠近通道底面，而辅翼迎风安装时，角涡靠近通道侧壁．这主要是因为主翼的背风为吸力面，流速高于迎风面，辅翼对流动的扰动增强．

图3 光通道二次流速度矢量Fig.3 Secondary flow velocity vector in thesmooth channel

图4 矩形翼产生的二次流Fig. 4 Secondary flow velocity vector generated by the rectangular wing

图5 组合翼辅翼背风沿流动方向向下安装时产生的二次流Fig.5 Secondary flow velocity vector generated by thecombined wing with theaccessory wing mounted downward and on theback face

以上分析表明，矩形翼与组合翼产生的二次流有较大区别，对于组合翼，辅翼的不同布置位置与布置方式得到的二次流也有较大区别．由于流动结构的区别，流动与通道壁面的作用不同，从而引起对流换热强度的变化．关于流动结构与对流换热之间的关系，有待进一步展开研究．

图6 =42mm处迎风辅翼与背风辅翼产生的二次流比较Fig.6 Comparison of secondary flow velocity vector generated by thecombined wing with theaccessory wing mounted on thefront and back facesat =42 mm

3 结论

利用PIV技术对矩形通道内布置矩形翼纵向涡发生器与组合翼纵向涡发生器时产生的二次流结构进行了测量，分析了组合翼辅翼布置位置和布置方式对流动结构的影响，得到如下主要结论：

1）由于地球自转作用，空气在流过光通道时，会产生整体旋转运动．受到通道边壁的干扰，旋涡强度沿流动方向逐渐减弱，最后在通道断面上形成多个小旋涡．

2）与光通道相比，通道内布置矩形翼纵向涡发生器后，旋涡强度和影响范围均明显增加．在距纵向涡发生器较近的地方，形成角涡，随着流动的进行，角涡逐渐消失．

3）组合翼产生的二次流结构与矩形翼相似，但二次流和角涡强度均增加．从二次流的强度和角涡对通道底面的作用的角度分析，辅翼背风布置优于迎风布置．

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