集沙仪等动力特性的光学实验研究

刘 江

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

集沙仪等动力特性的光学实验研究

刘 江

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

为研究气固两相流组成结构,设计了一种被动式楔形集沙仪,用于测量气流中携带的固体颗粒物含量.利用PIV光学测量手段,在边界层风洞中对其进行了等动力特性研究.实验结果表明:集沙仪对环境流场的影响主要集中在床面区域,随着高度的增加,影响逐渐减弱并趋于稳定.综合各高度数据,显示该仪器具有良好的等动力特性,适宜于在现场观测和风洞实验中测量气固两相流结构.

气固两相流; 集沙仪; 等动力特性

风沙流是指含有沙粒的气固两相运动气流,一般将气流中所携带的沙粒在搬运层内的高度分布,称为风沙流结构.而风沙流结构中输沙率和输沙通量廓线是其最为重要的参数.集沙仪以其简单可靠的优点,成为研究风沙流运动的主要测量仪器.1941年,Bagnold开始设计使用垂直集沙仪,研究风沙流运动机理.基于野外观测和风洞实验模拟结果建立的风速与输沙率之间的关系取决于直接获取的输沙通量数据的准确性,因此集沙仪的可靠性就显得尤为重要[1].

集沙仪是一种放置于流场中的直接测量仪器,它会对进入其内部的气流产生阻碍,同时也会干扰附近流场.合格的集沙仪应当经过正确的标定和校准,因此各种形式集沙仪的测量精度也引起众多研究者的关注[2].文献[3]、文献[4]、文献[5]对多种常见集沙仪的测试结果对比表明:不同类型的集沙仪,其集沙效率存在极大差异,且同一集沙仪在不同高度上的集沙效率也不同.一般情况下,近床面区域的集沙效率较低,远离床面的集沙效率逐渐增大.单管式集沙仪的集沙效率为65%～95%;传统垂直集沙仪和阶梯式集沙仪的集沙效率为15%～85%.值得注意的是,集沙仪的结构造型不同也会造成集沙效率的差异,且来流风速和沙粒的运动特性变化也会造成集沙效率的差异.因此,设计对流场扰动小、成本低廉、集沙效率高的集沙设备,合理准确标定所用集沙仪,是风沙流研究的重要基础和前提条件.

为了实现对风沙流场中风沙流结构的测量,本文设计了一种垂直型被动式楔形集沙仪,通过风洞系统配合PIV光学测量手段,对集沙仪进行标定和校准,重点分析了其等动力特性.

1 集沙仪设计原则

为了保证集沙仪的精确性,提高集沙效率,设计时应当遵循等动力性原则[3,6],即通过进沙口的瞬时风速应当等于进沙口流线上游风速.等动力性采样保证了集沙仪不会干扰进沙口处流场,能够提供更准确的流向输沙通量测量.同时,等动力性能够保证集沙仪具有更好的粒径非选择性,尽可能保证收集到的沙粒粒径组成与实际待测沙粒粒径组分相同.对于被动式集沙仪而言,该原则可通过合理设计流线型构造近似实现.

此外,集沙仪应当设计紧凑,且具有流线型结构,以保证尽可能小地干扰流场结构.同时,能够容许一些小的床面形态(如沙波纹)的存在,能够顺畅地进入进沙口内.

2 集沙仪设计及制造

目前,风沙流研究中广泛使用的有直立式集沙仪、阶梯式集沙仪和楔形集沙仪.对3类集沙仪进行野外测试[6],分析结果表明:直立式集沙仪的集沙量一般为楔形集沙仪集沙量的38%～63%,阶梯式集沙仪的集沙量为楔形集沙仪的58%～84%.相比于其他两种集沙仪,楔形集沙仪能够更好地反映近地面集沙量随高度的分布规律.楔形集沙仪的结构特征决定了其相对于其他两类集沙仪无法比拟的优势:首先,采用流线构造,使其内部产生文丘里效应,使得风沙流能够在受阻较小的条件下进入集沙仪内;其次,集沙仪背部采用透气性能良好的网状结构,大大降低了气流阻力.因此,本文选定楔形集沙仪进行输沙量的测量.

楔形集沙仪最早是在1982年由GREELEY R等人[7]设计形成,本文使用的结构是在文献[3]的基础上根据具体实验条件改造而来的.集沙仪主体结构采用0.5 mm厚镀锌铁皮制作,设计为流线型结构以减小风阻,主要包括入口段、收集段和排气段.当应用于野外环境时,可加装风向标和可旋转底座.

集沙仪高度选择应当考虑两个因素:一是实验目的.本次实验主要针对跃移层内风沙流结构.吴正等人的研究认为,距地面30 cm范围可包含97%以上的沙粒运动.二是满足风洞实验要求.边界层风洞的垂直高度为50 cm,集沙仪放入其中应保证气流阻塞比符合基本要求.因此,楔形集沙仪高度设计为32 cm,入口段设置16个2 cm×2 cm进沙口.收集段设计为32°楔形角的梯形结构,通过增大通道截面积降低运动颗粒速度,使得沙粒逐渐沉降,达到收集目的.排气段为网状排气装置,根据实测地点沙粒组分结构,选择安装50 μm铜网,以保证空气可顺利排出并截留风沙流中的颗粒物质,减小气流阻力.集沙仪基本构造如图1所示.

3 集沙仪性能标定

STOUT J E和FRYREAR D W[8]的野外工作和实验研究证明,为使集沙仪获得良好的性能,应当满足等动力性、高效率性和粒径非选择性.根据上述分析可知,在集沙仪设计过程中,这3条原则是紧密相关的,而且只有集沙仪满足等动力特性,才能保证对附近环境流场扰动最小,同时避免扭曲进入集沙仪内部的风沙流流动结构,从而保证高效率性和粒径非选择性.因此,集沙仪设计必须首要满足等动力性,然后可通过实验测试采集效率以及粒径非选择性,最终得到性能优良的集沙设备.实验所选楔形集沙仪结构的采集效率和粒径非选择性已经进行了大量研究,获得了确定性结论[6].根据实验条件,本文的性能标定主要针对集沙仪的等动力特性.

图1 楔形集沙仪结构及设计

3.1 实验平台及测量系统

风洞内实验平台布置如图2所示.风洞第1实验段用于发展形成实验所需模拟的边界层结构,第2实验段用于测量.风洞第2实验段长、宽、高尺寸为2.4 m×0.6 m×0.5 m.集沙仪放在距第2实验段入口处46.5 cm处,位于风洞中轴线上.

图2 集沙仪等动力性PIV测试

PIV系统用以记录流场速度信息.光源为Nd:YAG双脉冲激光器,波长为532 nm的绿光,单脉冲持续时间10 ns,脉冲能量最大为120 mJ.选择合适的透镜组合,形成激光片光透过风洞顶部透明光学玻璃入射照亮拍摄区域.CCD相机采用Power View 2M,分辨率为1 600×1 200 pixel2.风洞入口段使用发烟器撒播示踪粒子.PIV系统的测量频率为10 Hz.

3.2 实验设计

等动力性标定开始前,在风洞第1实验段铺设粗糙元,在测量位置处形成模拟边界层,由此确保实验在接近真实环境下进行.测量结果如图3所示.

图3 主流风速10 m/s时的风速廓线

以风洞中心高0.3 m处主流风速作为实验来流表征值,共设计了5.3 m/s,8.6 m/s,10.6 m/s 3种工况.在第2实验段测量位置处,分别针对有/无集沙仪条件拍摄PIV图像,计算当地速度场,分析等动力特性.

3.3 实验结果及分析

图4为无集沙仪条件下,3种主流风速工况下测得的速度场分布.X轴代表主流方向,Y轴代表风洞垂直床面方向.由图4可知,3种风速下,同一水平高度上风速基本无变化,表明边界层流动得到充分发展.沿Y轴方向,速度值逐渐增大,符合边界层速度廓线理论.在300 mm高度以上,气流基本进入主流区.图5为测量区域放置集沙仪后得到的对应速度场结果.与图4相比,相同工况下,同一位置的速度略有下降,但整场速度变化趋势与图4基本相同.

为分析等动力特性,对将有/无集沙仪条件下进沙口中心位置处的平均风速进行对比,结果见表1和图6.由图1和表1可知,主流速度变化对集沙仪等动力性并无明显影响.有/无集沙仪条件下,风洞底部(0.01 m处)速度变化最为明显,平均的速度比值降到0.68(3种风速下的平均值),说明集沙仪对环境流场的影响主要集中在床面区域;随着高度的增加(0.03～0.15 m),速度比值稳定增长,3种主流风速下速度比的平均值由0.87增至0.94;进入0.17～0.31 m高度范围,两种条件下的速度差异减至最小并趋于稳定,在0.94～0.95之间.

综合各高度数据,集沙仪整体速度比值为0.91,置入流场中对气流速度影响程度较小,各高度的进沙口速度比相对变化很小(0.87～0.95),因此该自制楔形集沙仪具有良好的等动力特性,在风沙场中可获得较高的沙粒采集效率,适宜于在后续的野外观测和风洞实验中测量风沙流结构.

图4 无集沙仪时的速度分布矢量

图5 有集沙仪时的速度分布矢量

进沙口中心高/m5.3/(m·s-1)AB5.3m/s的速度比8.6/(m·s-1)AB8.6m/s的速度比10.6/(m·s-1)AB10.6m/s的速度比0.011.862.670.703.104.460.693.896.100.640.033.313.880.865.436.250.876.938.010.870.053.694.180.886.046.790.897.678.610.890.073.914.420.896.487.130.918.238.990.920.094.144.560.916.727.340.928.549.240.920.114.274.670.926.927.500.928.819.420.930.134.384.750.927.147.620.949.029.560.940.154.474.810.937.257.720.949.139.680.940.174.624.890.947.487.920.959.369.840.950.194.705.000.947.618.060.949.5110.000.950.214.775.090.947.728.190.949.6210.150.950.234.835.160.947.848.300.949.7310.270.950.254.885.220.937.928.390.949.8410.380.950.274.925.270.938.058.470.959.9410.480.950.294.965.290.948.188.540.969.9410.570.940.314.985.310.948.298.600.969.9910.640.94

注:A表示有集沙仪条件下各高度处风速;B表示无集沙仪条件下各高度处风速.

图6 有无集沙仪条件下3种进沙口速度分布比较

4 结 论

(1) 为保证集沙仪的精确性,提高集沙效率,

其设计应当紧凑且有流线型结构,符合等动力性原则.

(2) 不同来流风速下的实验结果对比显示,主流速度变化对集沙仪等动力性的影响可忽略不计.

(3) 有/无集沙仪条件下不同高度平均风速的比值表明,集沙仪对环境流场的影响主要集中在近床面区域,0.05 m以下风速偏差可达10%以上,测量时必须予以修正.

(4) 综合多种风速工况,有/无集沙仪条件下整体气流速度比值为0.91,表明楔形集沙仪具有良好的等动力特性,适宜进行风沙流结构测量.

[1] 董治宝,孙宏义,赵爱国.WITSEG 集沙仪:风洞用多路集沙仪[J].中国沙漠,2003,23(6):714-720.

[2] 顾正萌,郭烈锦,张西民.新型主动式竖直集沙仪研制[J].西安交通大学学报,2006,40(9):1 088-1 091.

[3] NICKLING W G,NEUMAN C M.Wind tunnel evaluation of a wedge-shaped aeolian sediment trap[J].Geomorphology,1997,18(3-4):333-345.

[4] RASMUSSEN K R,MIKKELSEN H E.On the efficiency of vertical array aeolian field traps[J].Sedimentology,1998,45(4):789-800.

[5] LI Z S,NI J R.Sampling efficiency of vertical array aeolian sand traps[J].Geomorphology,2003,52(3):243-252.

[6] 俎瑞平,屈建军,高前兆.3种被动式积沙仪积沙效率的野外实验研究[J].干旱区地理,2002,25(3):214-218.

[7] GREELEY R,LEACH R N,WILLIAMS S H,etal.Rate of wind abrasion on Mars[J].Journal of Geophysical Research,1982,87(B12):10 009-10 010.

[8] STOUT J E,FRYREAR D W.Performance of a windblown-particle sampler[J].Transactions of the ASAE,1989,32(6):2 041-2 045.

(编辑 胡小萍)

PIV Experimental Research on Equidynamic of Sand Sampler

LIU Jiang

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

A passive wedge-shaped sand sampler is designed to measure the gas-solid two-phase flow structure at different heights,especially for the rate of saltation transport.The netted and streamlined designs implement the equidynamic condition of the vertical sand sampler.The comparative experiments of the two-phase flow field structure with and without the sand sampler are carried out in a boundary-layer wind-tunnel with PIV measurement system.The results indicate that the wedge-shaped sand sampler is able to remarkably reduce the stagnant effect and achieve equidynamic under different saltation conditions,and the vertical airflow velocity ratio confirms the higher sample efficiency of the sand sampler,especially at heights above the sand bed.

gas-solid two-phase flow; sand sampler; equidynamic

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.003

2015-09-16

刘江(1980-),男,工学博士,讲师,陕西汉中人.主要研究方向为流动传热过程的实验及数值分析.E-mail:jiangliuxjtu@163.com.

上海市教育委员会优青项目(ZZsdl15081).

TK229

A

1006-4729(2017)02-0119-05