喷口间距对双矩形平行射流流场的影响

刘鹏远，张海，吴玉新，张缦，吕俊复

（清华大学热能工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084）

喷口间距对双矩形平行射流流场的影响

刘鹏远，张海，吴玉新，张缦，吕俊复

（清华大学热能工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084）

用激光粒子测试仪(PIV)测量了双矩形喷口平行射流的流场特性，研究了不同喷口速度、不同喷口间距下双射流的混合特性。结果表明，喷口速度增大，双射流对称线上速度绝对值增大，但速度最大值出现的位置基本不变。喷口间距增大后，双射流的混合推迟，合并点后移，传递到对称线上的动量减弱，在合并点上的最大速度值减小。间距比与合并点的关系呈线性；但与大间距比相比，小间距比对合并点的影响更为敏感，关联式斜率更大。对湍流特性分析发现，双射流的主要动量传递发生在混合区，喷口间距增大，混合区与喷口的距离增加。

PIV；双射流；合并点；湍流；测量；流体力学

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

大空间内的平行射流是自由剪切湍流的一种基础模式，被广泛应用于化工反应器、锅炉燃烧系统和航空航天飞行器等工业设备中。平行射流间的流动特征决定了射流组的能量输运、化学燃烧及污染物生成等过程。双射流是平行射流的基本形式，也是人们认识剪切湍流特性的重要途径，相关的流动研究受到重视。

国内外多个学者对双射流做过研究，一般认为平行射流的流动结构沿主流方向可以分为收敛区、混合区和合并区3个区域。将平行射流对称中心线上回流消失、轴向速度为零的点定义为混合点 MP（merging point）；而将两股射流消失合并成一股射流、轴向速度达到最大的点定义为合并点 CP（combining point）[1-2]。收敛区位于射流离开喷口后、混合点以前。在收敛区内，射流对周围静止流体的夹带作用使两股射流之间形成了一个低压区，导致两股射流会向对方偏斜，在两射流之间形成回流区。随着射流的发展，两股射流开始相互接触，此后的一段区域成为混合区，即混合点和合并点之间的区域。在混合区内，射流间剧烈混合，回流消失，横截面上速度呈现两个峰值。在合并点以后为合并区，两股射流合并为一股射流，射流呈单峰分布。

关于平行射流的特性，学者们主要利用实验[3-12]和数值计算的方式[13-19]来开展相关研究。从这些研究可以看出速度场和湍流特性的分布受喷口间距D和喷口宽度a的比值（喷口间距比，D/a）的影响很大。其中，Wang等[3]用水作为介质，使用激光粒子测试仪 (PIV)测量了双射流的流动特性，发现喷口附近两射流中间存在一个狭长的低湍流强度区域。Anderson等[13]用空气作为介质，热线风速仪测速，发现对D/a=9的平行射流CP=19a。Abdel-Salam等[14]的数值计算发现a和D是影响MP和CP位置的重要因素，且基本呈线性关系。Lin等[5]给出了MP和D/a的关联式，但同时指出该关联式仅适用于D/a比较大（≥ 30）的工况，对D/a＜ 30的工况并不适用。总之，大部分结论均表明CP和D/a基本呈线性关系，但不同研究者得到的斜率不同。表1给出了文献中关于双喷口平行射流流场研究的一些主要结论。

表1 双平行射流研究文献综述Table 1 Summary of literatures on flow field study of two parallel jets

目前关于D/a对喷口外流场的影响研究主要基于数值计算，使用精确的测量方法开展喷口间距对流场影响的研究还很缺乏。部分研究主要针对D/a较大的情况，缺少较小D/a情况下的CP和D/a的关联式；而实际上，如锅炉燃烧器等设备所采用的平行射流常在D/a＜ 10范围内[20-22]。因此为了研究喷口间距对双射流混合的影响，本文在喷口长宽比AR=10的双喷口结构下，用PIV测量平行射流沿程的速度场和湍流强度的分布，研究不同速度和不同间距比对平行射流流场的影响，分析不同间距比对混合特性的影响。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

实验系统如图1所示。实验箱为有机玻璃制作的立方体，长、宽和高分别为300、300和800 mm。平行喷口布置在实验箱顶部，共比较了4种双喷口结构。结构一、二、三为喷口长度L=100 mm，宽度a=10 mm，喷口中心线间距分别为D=40，50，70 mm，对应喷口间距比D/a=4，5，7。结构四为按照某实际锅炉燃烧器1:5比例缩小，L=108 mm，a=18.5 mm，D=29.6 mm，间距比D/a=1.6。

图1 平行射流实验系统Fig.1 Schematic diagram of experimental system with two parallel jets

空气由罗茨空压机提供，示踪粒子跟随空气气流一起进入双喷口。射流离开喷口后进入封闭的立方体，立方体壁面尺寸的选取以不干扰气流的发展为原则。喷口出口速度分别为u0=10，12，16 m·s−1，对应的 Reynolds数（Re=u0d0/ν）为 12750、15300和 20400，其中，u0为射流喷口速度，d0为喷口当量直径，ν是空气运动黏度。气速的选取范围主要参考燃用无烟煤的锅炉里一次风速度而定。选取的观察截面为沿宽边方向中心点处，主要用来观察两股射流的混合情况。

1.2 PIV实验系统

平行射流出口流场采用PIV测量。PIV系统由丹麦Dantec Dynamics公司生产，激光器由美国New Wave公司生产，型号为Solo-120-XT型Nd: YAG型。激光器单脉冲能量200 mJ，波长532 nm。CCD相机配备Nikon 105 mm定焦镜头，感光元件像素为2048×2048，PIV系统自带的同步控制系统协同激光器、CCD 相机及计算机的动作。在同步器的控制下，激光器按设定的时间间隔先后向测量区域发射两束激光，CCD相机同步进行两次拍摄，取得两帧测量区域流场图片，然后应用相关软件中的自适应相关算法对图片信息进行处理[23-25]。PIV给出的图像信号经过相关分析后，得出的是示踪粒子的速度；因此，示踪粒子能否较为准确地反映流场的速度是关键。主要从粒子的散射特性和跟随特性来考虑进行选择。粒子的散射特性可以用粒子材料的相对折射指数来表示，为了获得较好的散射信号，相对折射指数应大于 1。粒子的跟随特性用Stokes数St描述。St≪1时，表明示踪粒子能够很好地跟随气流运动，从而反映准确的流场信息[26]。综上考虑，为保证示踪粒子的跟随性和散散性能，选择St≪1同时相对折射指数大于 1的1 μm左右的 SiC粉末作示踪粒子[27]。示踪粒子主要物性见表2。

表2 示踪粒子物性Table 2 Tracing particles properties

2 实验结果

每个工况拍摄N=100张PIV图片，主流方向的平均速度U，反映湍流强度的速度脉动值Urms及雷诺剪切应力u′v′分别取时间平均值，计算见式（1）～式（3）。其中，u′为轴向脉动速度，v′为径向脉动速度，〈〉代表平均值。

主流方向平均速度

主流速度脉动值

雷诺剪切应力

2.1 喷口速度对双射流混合的影响

在矩形喷口长边为L=100 mm，短边为a=10 mm，间距比D/a=5时，分别考察喷口速度为V=10,12，16 m·s−1时，对双射流混合的影响。

由图2显示的对称线速度变化可知，随着射流的发展，双射流中间的低压区会吸引射流向中间偏斜，对称线处轴向速度逐渐增大，在合并点CP处对称线速度达到最大值Umax，此时两股射流合并为一股射流，同时看出不同速度时CP出现的位置基本一致，在25倍喷口宽度的距离处（CP=25a）。喷口速度只影响CP速度的绝对值，如图2(a)所示。喷口速度越大，则喷口动量越强，对称线上速度的绝对值越大。但将速度用喷口初始速度量纲1化后不同喷口速度下曲线的变化基本一致[图2(b)]。

图2 双喷口对称线速度变化Fig.2 Mean streamwise velocity along symmetry axis of two parallel jets

因此喷口初始速度不同，不影响两股射流的合并点位置，仅影响对称线上速度的绝对值。根据冷态模化原理[28]，对大长宽比矩形喷口，临界Reynolds数大约为10000，超过此Reynolds数则可认为射流的流动特性即趋于不变。对长宽比 AR =10的矩形喷口，临界 Reynolds数对应的喷口速度约为 8 m·s−1，则实验时喷口速度大于 8 m·s−1双射流的流动特性趋于不变。

2.2 不同喷口间距瞬态颗粒散射图

不同喷口间距比工况下，PIV测得的瞬态颗粒散射如图3所示。图中较亮区域表示颗粒浓度较高。双射流刚离开喷口时为两股独立的射流，颗粒浓度较高区域主要沿射流方向；随着射流的进行，颗粒逐渐开始向中间和外侧扩散；且随着双射流间距比的增大，两股射流的混合推迟。结合后续章节对时间平均后的速度矢量场分析，可以进一步观察间距比变化后对射流合并点以及合并强度的影响。

图3 不同喷口间距比条件下的颗粒瞬态散射图Fig.3 Instantaneous scattering images for two parallel jets at different nozzle spacing

2.3 不同喷口间距下速度矢量场分布

图4 不同间距比下的平均速度矢量图Fig.4 Time-averaged velocity vector contours in section 1 plane at variousD/a(unit: m·s−1)

保持喷口速度U0=12 m·s−1，考察喷口间距比D/a=4,5,7时，喷口近场速度矢量的变化。如图4所示。由图4可知，双射流以双喷口间距的中心线为轴呈现对称结构，随着射流的发展，双射流开始收敛，彼此向中间倾斜，开始混合。随着两喷口间距的增加，两股射流开始相互发生作用的混合点推迟，射流内剪切层开始相交的距离增加，射流的混合延迟。对于D/a=4，在离开喷口150 mm距离处，双射流已开始了明显的混合过程，但当喷口间距增加到D/a=7时，相同距离处的混合程度没有短距离时强烈。

2.4 不同喷口间距下横截面速度分布特性

保持喷口速度U0=12 m·s−1，喷口中心线间距D/a=4,5,7时离开喷口不同截面上速度分布特性如图5所示，图中箭头长度（mm）和速度大小(m·s−1)比例为1:1。

图5 离喷口不同距离处速度分布Fig.5 Velocity distributions at differentZlocations in section 1 plane at differentD/a(unit: m·s−1)

在离开喷口Z=50 mm的截面上，对于不同间距的射流，均呈现双峰结构分布。两射流外边界侧速度基本为0，说明动量还没传递到外侧。当D/a=7时，两射流内边界侧速度接近为零，但当D/a=5和D/a=4时，两射流有动量传递，对称线处速度约1 m·s−1。发展到Z=150 mm截面，射流之间均已发生了明显的动量传递。当D/a=4时，双射流两个峰值消失，逐渐合并为单一射流；当D/a=5,7时，射流仍然有双峰值的存在，但峰值速度下降，对称线处速度升高；且射流向外扩展，覆盖区域增大。在Z=270 mm截面处，对于不同的间距，双射流均已合并成单射流，整个横截面只有一个峰值，并由中间向两侧扩展。但D/a=7的峰值速度要小于D/a=4,5的峰值速度，说明间距增大后，向中间传递的动量有所减弱，而传递到射流外边界的动量增加。

2.5 对称线速度的变化特性

喷口中心线不同间距D/a=1.6,4,5,7时喷口对称线上速度的变化如图6所示。

图6 双喷口对称线速度变化Fig.6 Mean streamwise velocity along symmetry axis of two parallel jets

对于不同D/a的双射流，对称线上最大速度出现的点位置有所变化，D/a越大，最大速度点越推迟。在混合区，D/a=1.6速度升高速率最快，说明两射流动量传递比大D/a的传递情况更为剧烈。D/a增大后，两股射流完全合并的CP越靠后。对于D/a=1.6，4，5，7，CP分别出现在CP=6.5a,19a,23a，26.5a处。对于间距比为1.6的矩形平行射流燃烧器，煤粉气流的着火距离为10a～13a[29-30]，合并点要短于煤粉气流的着火点。随着D/a的增大，最大速度值也下降，最大速度处Umax/U0分别为0.7、0.55、0.5、0.4左右，说明传递到射流中间的动量随着间距的增大而逐渐变小，两股射流在中间的混合强度减弱，有更多动量传递到射流的外侧。

图7 CP位置Zcp和间距比的关系Fig.7 Variation in combined point for differentD/a

提取D/a和CP点离喷口的距离（Zcp）的关系，可以得到如图7所示的变化关系。Lin等[5]通过实验以及Durve等[15]通过数值计算得到的Zcp和D/a的关系也同时在图中标出。由图看出，Zcp和D/a基本呈线性关系，但在不同的D/a范围下斜率却差异较大。本实验范围内经过线性回归后得到关联式（4）。

Lin等得到的Zcp和D/a的关系式在预测D/a比较大（D/a＞ 30）时准确率较高，但当D/a较小（D/a＜30）时则并不适用。主要是因为当D/a＞ 30时，MP离喷口较远，所以喷口射流的初始状态如湍流强度、速度分布等对 MP出现的位置影响不明显。Durve等通过数值计算得到的Zcp和D/a的关联式在D/a＞10范围内的斜率要小于本文关联式的斜率，表明在两个喷口距离较近的情况下D/a对混合影响更显著。

此外，本文实验的出口湍流强度为 8%，而Durve等和Lin等的实验的湍流强度分别为3.6%和0.8%。一般认为出口湍流强度对速度场的影响主要集中在Z/a＜ 20 的范围，出口较大的湍流强度也是导致测得的Zcp大于文献中数据的原因之一。

2.6 湍流强度的变化特性

为比较湍流特性，考察了不同D/a下轴向速度脉动的均方根，即Urms的变化。Urms反映了流体速度波动的绝对值。

从Urms分布看出，射流离开喷口后，喷口附近存在两个狭长的核心区，核心区内速度保持不变，脉动值为 0。双射流之间存在低湍流区域，该区域的大小受双射流间距的影响较大。当D/a=4时，双射流间距短，开始发生相互作用早，因此低湍流区域长度较D/a=5，7要略短一些。Urms的峰值分布在每个射流的内外剪切层处，两射流中间存在着低湍流区域。剪切层内产生的速度脉动通过对流和扩散逐渐传递到射流中心，并向对称线处偏移。随着间距的增大，两射流中间的低湍流区域增大，动量由外剪切层转移到对称线处变慢。对于D/a=4，随着射流的进行，Urms峰值逐渐降低，说明主要的动量传递发生在混合区，而不是合并之后的区域。

2.7 雷诺剪切应力

雷诺剪切应力〈u′v′〉反映了湍流运动的动量通量。〈u′v′〉的分布随间距的变化如图9所示。

图8 不同喷口间距比下速度脉动分布Fig.8 Urmsprofiles for section 1 for variousD/a(m·s−1)

〈u′v′〉的分布同Urms分布相似，峰值分布在射流的内外剪切层处。当D/a=4时，峰值分布集中在Z=40～120 mm区域内，说明此区域有很强的动量传递，而这也是双射流的混合区。间距增大到D/a=7后，内剪切层的〈u′v′〉峰值在Z=60～140 mm区域内，比短间距的射流混合有所推迟。

图9 不同喷口间距比雷诺应力分布Fig.9 Reynolds shear stresses in section 1 for variousD/a(m2·s−2)

由图10所示，在离开喷口Z=50 mm横截面上，〈u′v′〉在不同的间距比工况下有4个峰值，分别位于两射流外剪切层和内剪切层处，且内外剪切层峰值数值基本相同，说明在两个剪切层发生的动量传递是接近的。不同间距比下〈u′v′〉出现的峰值位置不同。D/a=4时峰值更靠近双喷口对称线处（X/a=0），且数值要大于D/a=7时的数值，说明此截面上较小间距比的射流动量传递要更为强烈。当射流发展到Z=150 mm截面处，对D/a=4 的射流，内剪切层处〈u′v′〉峰值明显下降，此时双射流已接近合并为单射流，混合已基本完成，故内剪切层处的〈u′v′〉值下降。外剪切层处峰值下降不明显，说明此时的动量传递在外剪切层处更为强烈。D/a=5，7的射流，内外剪切层〈u′v′〉峰值基本一致，说明双射流之间的动量传递仍在继续，混合未完成。

3 结 论

利用 PIV实验系统研究了较小喷口间距比（D/a＜ 9）情况下D/a对双矩形喷口平行射流流动混合的影响。主要结论如下。

（1）在喷口速度超过自模化区临界 Reynolds数后，速度对流场混合特性影响不明显。喷口速度越大，双射流对称线上速度绝对值越大，但双射流合并点CP的位置基本没有变化。

图10 离喷口不同距离处雷诺剪切应力分布Fig.10 Reynolds stress distributions at differentZlocations

（2）双射流喷口间距增加后，双射流混合推迟，合并点出现的位置推迟。对于锅炉里间距比为 1.6的平行射流燃烧器，合并点为6.5倍喷口宽度，短于煤粉气流的着火点距离。CP离喷口的距离随D/a呈线性增加，但在小D/a情况下变化更显著，关联式斜率更大。D/a增大后传递到射流中间对称线上的动量减弱，CP的最大速度值减小。

（3）动量传递主要发生在双射流混合区域，而D/a增大后，混合区离喷口距离增加。

（4）双射流完全混合以前，内外剪切层处雷诺应力峰值相同。D/a变小后，内剪切层处雷诺应力峰值下降更快，而外剪切层峰值基本不变，说明内剪切层处动量传递减弱，双射流混合完成距离更短。

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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。

联系人：张海。

刘鹏远（1982—），男，博士研究生，高级工程师。

国家高技术研究发展计划项目（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).