PIV与PLIF同步测量方法在湍流扩散研究中的应用

付在国, 赵飞宇, 张 莉, 刘 江

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

随着激光测速和激光诱导荧光技术的发展,粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)和平面激光诱导荧光(Planer Laser-Induced Fluorescence,PLIF)技术已广泛应用于湍流与燃烧等场合下流动介质的速度场测试、结构显示与标量输运测量等方面。其对推动湍流流动及与之相关的传热传质过程的研究具有非常重要的意义。

PIV和PLIF两者结合可用来同时测量流体流动空间的速度场和标量场。文献[1]针对合成射流,采用PIV和PLIF测试了混合过程中的涡分布,清晰获得了不同射流参数下涡的特征;文献[2]采用PIV和PLIF,同步测量了冲击射流近壁区的速度场和温度场,得到了冲击区内的湍流热通量;文献[3]针对PLIF测量中光强与荧光染料浓度之间关系的校准方法进行了讨论,并利用新的校准措施成功开展了对浓度和速度场的PIV与PLIF同步测量;文献[4-5]采用PIV和PLIF技术,同步测量了黏弹性壁湍流中的近壁速度和浓度,得到了黏弹性流体在湍流中的扩散特征;吴浩玮等人[6]结合PIV与PLIF技术,对燃烧器中燃油旋流过程进行了测量,取得了流场与燃油分布的结果。

综上所述,国内外应用PIV和PLIF测量技术的研究较多,但其中有些尚未真正实现两者的同步测量,且国外已有的相关研究中并未对同步测量方法本身以及取得湍流通量的数据处理方法做具体阐述。本文基于PIV和PLIF的测量原理以及两者各自成熟的测量方法,结合实验装置,具体介绍开展PIV与PLIF同步测量的方法和实验数据处理方法,并将其应用于两种不同类型流体的槽道湍流扩散流动中,用来测定槽道内的脉动流速、脉动浓度以及湍流扩散传质通量等特征量,为定量分析湍流中标量输运等过程提供支持。

1 方法概述

PIV技术通过记录某瞬时大量空间点上的速度信息,用以提供丰富的流场特性与空间结构等信息,是一种无干扰、瞬时、全场的激光测速法。它利用测量得到的速度场,可计算出多种物理量,如脉动速度、速度梯度、涡量场及旋转强度等,已在流体力学领域得到了广泛应用。PIV测速主要原理是利用流场中分布的示踪粒子的速度代表其所在流场内相应位置上流体的速度[7]。片光源照射流场中的测试平面,用相机记录多次曝光的粒子位置,借助图像分析技术即可得到各点粒子的位移,再由位移和曝光时间可得到各点的速度矢量。PIV技术主要涉及的设备包括激光光源及控制、数字图像采集与分析等设备。应用该技术的主要难点在于对示踪粒子的跟随性能与播撒浓度的把握以及曝光时间的设置等,一般需要根据实验介质与平均流速等条件,在校准阶段以粒子图像质量高、速度矢量相关性好为原则,来确定合适的粒子浓度与曝光时间。

PLIF技术通过记录某瞬时平面空间内激光诱导荧光的信息从而反馈出浓度、温度、酸碱度等标量信息,是一种非接触式标量测量方法[8]。它已成功应用于燃烧结构显示与诊断、混合研究、喷雾分析、污染物的扩散等研究领域。PLIF测量标量信息都是基于染料受激光照射后发射荧光的性质而开展的。以测定浓度标量为例,荧光强度会随荧光染料浓度的变化而变化。如果测得了局部荧光强度,就能算出染料浓度的局部分布。浓度与荧光强度存在以下的关系

(1)

式中:c(x,y)——空间位置上的瞬时浓度;

c0——基准浓度;

B(x,y)——空间位置上的瞬时荧光强度;

B0——基准荧光强度。

PLIF技术主要涉及的设备有激光光源及控制设备、滤光镜、数字图像采集与分析设备等。应用该技术的主要难点在于对荧光染料混合浓度的把握以及染料跟随性的确定,一般需要在测量前开展基准实验,建立荧光强度和染料浓度的具体比例关系。为避免光路中荧光吸收现象的出现,采用的染料浓度一般较低。此外,还可以根据分子扩散和湍流扩散的强度来证明染料跟随溶液的有效性,即短时间内两者的扩散界限不存在大的差异。

PLIF测试系统可与 PIV 测试系统连接并联合使用,实现测试平面内标量场和速度场的同时测量,即为PIV与PLIF的同步测量方法。其已应用在湍流传热传质、雾化、燃烧等研究领域。PIV和PLIF的同步测量的主要原理相对于PIV与PLIF单体并没有变化,只是需要采用如二向色镜的分光镜等设备,分离由平面空间内示踪粒子反射的激光和染料激发出的荧光。通常这两种光的波长不同,故易于分离和捕获。实现同步测量的设备即集成PIV与PLIF的系统,需要采用两台相机分别测量同一瞬时的粒子运动和荧光强度图像。另外,同步器需要同时控制两台相机和激光器,其他设备不变。

2 测量装置及其设置

试验针对某一透明有机玻璃材质的二维槽道内的湍流流动展开。测试面为槽道中心沿流向-垂直壁面方向(x-y)的平面。该同步测量系统如图1所示。采用双脉冲激光器(Nd:YAG,30 mJ/pulse,532 nm),激光片光厚度为1 mm,传播角为20°。使用两台相同的CCD相机(电荷耦合,2 048像素×2 048像素),分别拍摄测试平面内粒子位移与荧光分布的图像,与同步器相连并在同一时间触发。此外,两台相机的安装轴线相互垂直,其交线位置布置一个与它们成45°角的二向色镜,其允许波长在 569～730 nm范围内的荧光通过,如此可分开由槽道流动中示踪粒子散射的激光,以及从槽道侧面注入的被染料染色溶液激发出的荧光。

图1 PIV与PLIF同步测量系统示意

试验测试段为6.00 m×0.50 m×0.04 m(长×宽×高)的矩形槽道,其一侧布置有1.65 m×0.50 m×0.001 7 m(长×宽×厚)、孔径为150 μm的多孔不锈钢丝网烧结层压板,其渗出面与槽道内表面保持水平。多孔板与密封腔室连接用来向槽道注入染色的水或溶液。槽道内流量由安装在测试段上游的电磁流量计监测,其测量精度为±0.01 m3/min,槽道内循环流体温度保持在25±0.5 ℃。测试中,添加聚乙烯粒子作为示踪粒子,其平均粒径为20 μm,相对密度为0.92,并采用合适浓度以得到清晰的速度图像。同时,为获取荧光图像,注入的水或溶液均被染色,采用的染料为无毒、非致癌性罗丹明-WT系列,混入溶液后的质量浓度为5 mg/L,能在532 nm波长的激光诱导下发射出580 nm长的荧光。

测试过程中,槽道内监测的流量约为0.016 m3/s,对应槽道内的平均流速为0.82 m/s。基于槽道的高度(2h,40 mm)和水的黏度,槽道内流动的雷诺数接近40 000。试验中湍流流动介质为水。此外,因高分子聚合物溶液具黏弹性,与湍流流动耦合作用后能表现出不同于一般牛顿流体的扩散特征,故测试中从槽道多孔壁面分别注入水和水溶性高分子聚合物溶液,注入速度约为2.9×10-4m/s,用作对比分析,以验证采用同步测量方法在湍流扩散领域应用的可行性与准确性。

所采用的聚合物是由日本Seika公司生产的PEO-18Z粉末,主要成分为聚氧化乙烯,分子量约为4.3×106。通过在去离子水中溶解,配置成质量浓度为50 mg/L的聚合物溶液,其有效性和可重复特性在试验中得到了严格的保证。关于荧光强度与染料浓度之间的关系,经原位校准,发现对于50 mg/L的聚合物溶液和水,在本试验的染料浓度条件下,其诱导荧光在测试光路中无明显衰减,聚合物浓度与荧光强度成正比,比例系数经回归约为120。

3 同步测量数据的处理

采用互相关技术处理同步测量获取的PIV图像,交互区为64像素×64像素,并基于每个垂直壁面位置上62 500(125×500)个速度矢量进行湍流统计分析。通过对所有采集的瞬时PIV图像样本做系综平均,可以得到每个速度矢量位置上的平均速度,从而可以得到每幅瞬时图像中每个速度矢量位置上的脉动速度值。

PLIF图像的大小和数量与PIV图像设置一致(本文中均取500幅瞬时图像),但采集到的信息为有效范围内2 048×2 048个像素点及各像素点上的荧光强度。进行同步测量数据处理时,为保证采集到与速度对应同一个位置的浓度,在分析处理PLIF图像时,取围绕速度位置点临近5×5个像素点荧光强度值的平均值为该速度位置点的荧光强度值。该处理方法的示意图如图2所示。图2中黑点即为速度矢量位置。

图2 速度矢量与荧光像素点相对位置示意

根据该设想,结合PLIF校准测试中所得到的荧光强度与染色浓度的线性关系,通过自编程序处理,即可得到每幅瞬时图像中各速度矢量位置上的浓度值及其系综平均值,从而可以得到平均浓度和瞬时脉动浓度场。

利用与上述时间对应的瞬时脉动速度场和瞬时脉动浓度场,就可以计算出湍流扩散的特征量,以实现真正意义上同步测量数据的应用。

4 应用与结果

4.1 平均速度和浓度

图3和图4分别给出了应用同步测量方法得到的槽道截面内平均流向速度和注入溶液在垂直壁面方向上的平均浓度分布。图3中的纵坐标为基于槽道内平均速度(Ub)做无量纲化的平均流向速度;图4中的纵坐标C/C0代表基于注入水或溶液最大荧光强度值计算的无量纲平均浓度值。

图3 槽道截面上不同类型流体的平均流向速度分布

图4 垂直壁面方向不同类型流体的平均浓度分布

由图3可以看出,槽道中呈抛物线分布的平均流向速度,经积分可求得槽道内截面上平均速度为0.82 m/s。该结果与试验槽道内通过流量反算的平均流速一致。这也证明了测量结果及该同步测量方法的可靠性。此外,对比发现,靠近多孔壁面处,注入聚合物溶液的平均速度分布略大于注入水流的平均速度,这与黏弹性的高分子聚合物溶液造成的湍流减阻现象一致。黏弹性溶液抑制近壁涡结构,使得近壁区域内流体脉动速度倾向于以流向方向为主导,从而改变了近壁区域的速度分布。槽道另一侧壁面附近的流体因注入聚合物溶液扩散较慢并未受到影响,速度分布与注水条件下相同。

由图4可以看出,在注入聚合物溶液的条件下,溶液的平均浓度在近壁处梯度很大,且其近壁的无量纲平均浓度明显高于注水条件下的值,而注入的水在垂直壁面方向整体平均浓度梯度较小且很平稳。这表明,与水相比,聚合物溶液在槽道湍流中的扩散较慢。究其原因,同样是受黏弹性溶液抑制了湍流涡结构的影响。这些定性结果与文献[4-5]中的报道一致,反映了同步测量中标量测定结果的可靠性。

4.2 脉动速度与浓度

图5给出了注入水和聚合物溶液条件下测量平面内典型瞬时流向与垂直壁面方向的脉动速度和量与脉动浓度图。图5中的云值即为该瞬间各矢量位置上的无量纲脉动浓度值。

由图5(a)可知,在注水的槽道中,速度矢量反映出了丰富的涡结构信息,且注入的被染色的水分布在全场,表现为各处脉动浓度均有较大的值。由图5(b)可知,受注入聚合物溶液的影响,槽道湍流中近壁涡结构得到一定程度的抑制,聚合物的扩散也受抑制,在远离壁面位置,脉动浓度值较小。由此可见,应用同步测量方法,可以很方便地获取能反应流动结构和浓度标量瞬时分布的信息,便于查明两者的相互作用机制与影响。

图5 测量平面内不同类型流体的脉动速度矢量和脉动浓度

4.3 湍流扩散的质通量

湍流质通量由测量所得的平面内相同位置脉动浓度值与脉动速度值相乘而得,随后结合所有拍摄到的瞬时图像做系综统计平均,得到垂直壁面方向(y方向)上不同位置的湍流质通量。其中,对湍流扩散传质起主导作用的垂直壁面方向湍流质通量的表达式为

(2)

式中:c′ ——浓度脉动值;

v′——垂直壁面方向上的脉动速度;

Nx——每条流向线上的数据点;

Nk——同步拍摄图像数;

k——样本序号。

图6给出了注入水和聚合物溶液两种条件下,在测量平面内基于壁面最高浓度和摩擦速度的无量纲垂直壁面方向的湍流质通量。

图6 垂直壁面方向不同类型流体的湍流质通量

由图6可知,在整个槽道靠近注入壁面的半高区域内,注入聚合物溶液条件下的垂直壁面方向的湍流质通量较注水流都要小,仅在近壁y/h=0.1以内的位置比较接近。这同样表明从多孔壁注入的聚合物溶液沿垂直壁面方向向远离壁面位置的扩散得到了抑制。此外,试验获取的湍流质通量还可用于对数值模拟湍流扩散的结果进行校验。

本文中,基于PIV与PLIF同步测量可得流场内脉动速度和脉动浓度,还可以获得动量和传质的涡扩散系数、湍流施密特数等特征参数,用于定量聚合物扩散及标量输运的特征。

5 结 论

(1) 在使用合理浓度的示踪粒子与荧光染料、设置合理曝光时间的基础上,采用PIV与PLIF同步测量可以成功获取测试平面内的速度矢量和浓度标量等场信息。

(2) 同步测量数据的处理是将同步测量方法成功应用于湍流扩散特征研究的关键之一。根据脉动速度和脉动浓度的同步数据可以有效定量湍流扩散通量等参数,从而确定溶液在湍流流动中的扩散特征。