基于PIV技术的管道流流动特性研究

金兴，邓阳琴，刘阁，陈彬

(1.重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067；2.华北科技学院 机电工程学院，河北 廊坊 065201)

通过管道不仅可以完成对石油、成品油、化工产品以及水等液态物质的运输，而且可以运送天然气等气态物质[1]。由于管道运输具有运量大、成本低、自动化程度高等优点，现已获得广泛应用[2]，为了提高管道运输效率就需要对流体在管道中的运动特性进行研究。

PIV(Particle Image Velocimetry)技术由于超越单点测量的局限性，能够同时记录大量空间点的瞬态速度分布信息，现已成为流场分析的主要方法[3]。PIV技术只需向流场投放适宜的示踪粒子测量装置并不直接介入流场，尤其适用于研究含涡流、湍流的复杂管道结构[4]。目前采用PIV技术对管道流场流动特性的研究主要涉及到气固、气液、固液两相流的应用场合，并针对示踪粒子的种类及其分布、管道的结构、典型的流动特征等方面对流场的影响规律进行分析，这不仅能够对深入了解和掌握流体力学内在流动特征的理论研究提供数据支撑，也能从实际工程意义上起到改善管路铺设、改良类管道流装置的结构等作用，从而解决实际生产生活重要技术问题，降低生产成本，并带来巨大的经济效益。

1 PIV技术应用于管道流流动规律的研究

PIV技术对管道流场流动规律的研究主要集中于在气液两相、气固以及固液两相流中对流体流动特性的分析，利用PIV获取的相应流场的瞬态速度矢量数据，经过一定的计算处理得到对应流场的湍流特性、波动特征、流速变化及其分布等信息，从而掌握流场的流动规律。

1.1 PIV技术应用于气固两相流的研究

气固两相流指气体中夹带有固体颗粒物料状态下的流动，目前利用PIV技术对气固两相流的研究着重于获取管道流场内两相流体的流动特性。

在竖直管道的气固两相流中，PIV技术能够精确表征稀疏相粒子的瞬态运动特征，清华大学的许宏庆等[5]在竖直管道中利用PIV技术瞬时测量了气固两相流中固体粒子的速度场，其结果表明在气固两相射流中固体扩散比气体慢，且在轴线上还会受到剪切漩涡的影响；张东东等[6]同样采用PIV技术研究了竖直射流管道中气固两相各自的瞬时速度分布，他们发现在流场中固体粒子的分散度要小于气体，且在射流轴线附近的固体粒子速度小于气相，这一实验结果与许宏庆所得到的结果一致。可见PIV技术不仅对两相流场运动参数的捕捉非常有效，还能够便利地获取流场中两相的流动概况。

PIV技术对水平方向上气固两相管道流的研究同样具有较大的优势，受到了诸多学者的关注，Zheng等[7]将PIV技术运用于水平气力输送的测量，得到了高速状态下水平气固管流在最小压降空气速度下的粒子波动速度。Yan等[8]采用了高速PIV系统对气固两相管道流进行了研究。通过获取气固两相管道中固体颗粒的速度和浓度分布，得到了水平激发下管道流低压降速的机理，可见PIV技术应用于气固两相管道流能够有效地获取固体颗粒由于管道结构改变所带来的运动参数以及浓度分布的改变。值得注意的是华中科技大学的栗晶等[9]开发了高解析度PIV两相同时测量技术，并对聚乙烯颗粒加入前后的水平槽道湍流变动进行了研究，取得了较好的效果。他们的实验结果表明，低载荷下气相湍流变化源于颗粒对湍流拟序结构的作用，颗粒的存在抑制了湍流拟序结构的发展，使得湍流准流向结构长度减小。

对于研究复杂多变的气固两相管道流来说，PIV技术具有较大的优势，能够准确捕捉流场的瞬时速度及全场速度分布，同时能够获取固相在流场中的浓度变化、浓度分布等信息，这对流场流动特性的研究具有很大帮助。

1.2 PIV技术应用于气液两相流的研究

气液两相流在各种工业领域的工程中都有广泛应用。例如，在化学化工工艺中、在石油和天然气的生产运输中、在各类反应器中，国外许多学者在管道流场中运用PIV技术对气液两相流的流动特性开展了研究[10-12]。Yamamoto等[13]采用PIV系统测量了气液两相管道流中分散的气泡运动，从测量数据中较为准确的估计了载体液相流动的速度，值得注意的是他们使用浅焦成像技术代替了激光照射，而且发现浅焦成像技术可以捕获气液两相流的高清图像且成本更低。Birvalski等[14]在气液管道流研究中同时采用了两套PIV系统，以此来更好地获得两相流体的信息。这样设置的优势是可以分别测量气液两相、分别获取两相的数据，减少了由于相界面折射反射带来的测量误差，是一种较好的两相测量方法。

相对于国外，国内的学者也运用PIV技术对气液两相管道流的流动规律开展了研究。北京理工大学的付细能等[15]将高速全场流显示技术与PIV相结合观测了平板表面通气两相流场的流动结构和运动特性。相较于普通的PIV系统，结合高速全场流显示技术的PIV系统能够获得更为清晰的两相图像，提高了实验精度。天津大学的付涛涛[16]在微通道内用Micro-PIV技术对气液两相流和气泡的行为进行了研究，其研究观测竖直矩形微通道内气液两相流流型包括:泡状流、弹状流、环状流、环状一分层流、分层流，另外他还建立了相应的流型转变图，其实验结果对微通道气液两相流的研究提供了理论支撑。叶道星[17]通过搭建湍流发生器实验平台，研究了中浓度纸浆泵的运行性能特性，PIV系统运用于实验中不仅测量了湍流发生器中气泡运动的速度与运动轨迹方程，还获得了湍流发生器内部的速度和湍流动能的分布规律。可见，PIV技术运用于气液两相流中可以较好地得到两相流体运动状态的变化，而且可以对流场不同区域的运动参量进行准确的测量，有助于分析气液两相管道流流动特性。不过，由于相界面的波动和光学影响，PIV对于气液两相界面的测量存在一定误差，仍需要进一步研究来提高实验精度。

1.3 PIV技术应用于固液两相流的研究

PIV技术在固液两相流的应用范畴主要是泵内流场和管道流场，流场内的固相主要为颗粒，微观相机能够清楚地捕捉流场信息。

Zhao等[18]对固液湍流边界层的相干结构进行了研究，其研究结果表明流场中颗粒的存在加强了壁面区域动量和能量的传输。Sun等[19]也对稀液固两相流湍流边界层相干结构的粒子调制进行研究，指出粒子的存在从一定程度上抑制了涡旋在流向上的发展，但也使得近壁区湍流动量的传输能力增强。Ahmadi等[20]用PIV技术研究了固液湍流横向通道流的流动特性，其研究表明固相的湍流强度随着流场St数的增大而减小。陈彬等[21]通过PIV获得的流场数据建立了含悬浮颗粒油液的伪均质流数学模型，研究了悬浮颗粒油液的动态特性，发现油液速度、压力的跃变幅值随着颗粒浓度增大而减小，颗粒速度随着浓度的增大而增大。杨火军等[22]对竖直管内大悬浮轻颗粒固液两相流中的颗粒相进行研究，对顺流方向颗粒串的结构进行观察，发现液体流动的剪切作用是颗粒串生成和稳定的机制。

可见国内外从流场湍流结构、边界层的相干结构等方面对固液两相流进行了研究，但由于固液两相流在管路内运动的随机性较大，同时外部条件对流场的影响也较为复杂，导致对管路内固液两相流运动特性的认识存在不足。因此利用PIV技术获取更加精确的两相流动数据，从而为固液两相管道流的研究提供帮助。

2 PIV技术应用于管道流研究的关键因素

管道流场复杂多变，影响管道流场流动特性的因素很多，如PIV测量数据的提取方法、流体以及管道本身性质等因素均会对实验研究的精确度造成影响，通过PIV技术研究管路流场可以获得丰富的流场信息，进而分析流场流动特性。下面就采用PIV技术对管道流流动特性进行研究的关键因素作介绍。

2.1 示踪粒子的选择与分析

由于PIV技术是利用流场中示踪粒子具有较好的跟随性，将其速度[23]来代替流场的速度信息，所以示踪粒子的流动性能、光学性能等特性都会对PIV的结果产生较大的影响，因而对示踪粒子进行正确的选择才能够得到更加准确的流场流动特性，目前已经有许多学者做了这方面的研究[24-26]。Ben等[27]在利用PIV对聚焦超声产生的流场进行表征的实验中，对示踪粒子的选择作了评估。其实验选择直径分别为5，20，50 μm的聚酰胺颗粒为示踪粒子，而实验结果表明，只有直径为5 μm的示踪粒子可以运用于实验，其他直径过大的粒子影响了流体流动，改变了流体原有的运动规律。选择适宜的示踪粒子不仅可以优化流场数据图像，还能达到提高实验精度的效果。Unadkat[28]在PIV实验中选用荧光粒子作为示踪颗粒达到了优化粒子图像、提高图像精确度的效果，由此对比得到了连续相在固体颗粒加入前后流场湍流动能的变化。Ayati等[29]在气液两相流研究中选择了直径6 μm的小液滴作为示踪粒子，从而确保了水层的表面张力不受气相中示踪粒子的影响，保证了实验的准确性。为研究管道流场的流动特性，需选用适当的示踪粒子以获取速度场分布、流场涡量变化、湍流耗散率等反映流场流动规律的指标，而投加入流场的示踪粒子或多或少存在一定弛豫时间，于是有学者直接用自有研究对象作为示踪粒子，获得了更加精确的流场信息。毛玉红等[30]在不投加专用示踪粒子的条件下，以混凝絮体为示踪粒子，实现了对絮凝过程同步的测量与表征；卢平等[31]直接将水煤膏雾化粒子作为示踪粒子，在管道流场中获得了流场流动规律并测得了粒子粒径。

对示踪粒子性能的分析也有利于开展流场流动特性的实验研究，Chen等[32]为了研究超声波管道流体的流动特性，用示踪粒子的响应时间完成了对示踪粒子跟踪特性和弛豫时间的评估，从而获得了更加精确的全场速度；刘剑等[33]用粒子图像的曝光度、信噪比及处理后得到的矢量来反映粒子的动力学特性，以此得到了管道风流场沿轴向速度变化规律。

在PIV技术应用中，示踪粒子是非常重要的一环，选择适宜的示踪粒子可以获得更加精确的数据，对示踪粒子的性能进行分析也能够为PIV实验提供帮助。虽然对示踪粒子的研究已非常丰富，但要更好地将PIV技术运用于管道流场流动特性研究，仍然需要根据具体的实验目的找到更多创新思路来完善研究方案。

2.2 流场的形成因素

要研究管道流场的流动特性离不开对流场形成因素的研究，流场的形成受到多方面的影响：进口流速的大小、流动介质本身的性质、管路的结构等。其中管路结构对流场流动有非常大的影响，不同的管路结构会使流场产生不同的变化：管路截面的增大缩小会使流场速度相应的减小增大；管路设置挡板会改变流场的流动方向；不同的管路设置还会使流场产生空穴、涡旋等现象，进而影响流场流动。对于这方面，国内外有许多学者开展了研究，英国伯明翰大学的Ryan等[34]采用PIV系统对射流管道流动域及流动状态进行研究，对管道空穴产生的原理进行了分析，他们发现不管是流经孔板还是分流叶片，都会产生空穴现象并且对流体的运动造成影响。Reza等[35]利用PIV技术得到了流体流经不同角度设置的薄板后管路流场发生的变化，验证了管路设置的差异会对流场流动产生不同影响，而Li等[36]用PIV技术得到了流体流经管底不同数目圆筒后流场发生的变化。在Reza和Li的实验中，PIV技术均用来测量流场的速度和涡量，以此来分析管路结构改变对流场造成变化，且得到了较好的效果，这表明PIV技术用以研究复杂管路流动特性有较大优势。青岛大学的刘瑞璟等[37]测量了矩形管道在加肋和不加肋两种管道结构下气固两相流的运动规律，得到了带肋通道和平直通道中气体以及固体颗粒的时均速度场，并分析比较了管道结构对粒子速度和沉积的影响。

流场的形成受到管路结构的影响，而PIV技术针对不同管路结构，能够在不受影响的情况下准确获得流场信息，进而对流场流动特性进行研究。而通过研究管路结构对流体流动的影响，不仅有利于降低工业管路铺设与维护的成本，还有利于提高管道运输效率。

2.3 涡旋对流动特性的影响

涡旋现象是管道流场非常重要的一个现象，涡旋的产生伴随着强烈的波动并有机械能的损耗，从而也会改变管路流场的流动结构，影响流体流动状态，所以涡旋现象是影响管道流场很重要的一个因素。对管路涡旋现象的研究有助于获得管路流场流动规律，涡旋具有时变性、复杂性以及测量方法的局限性，一定程度上使涡旋的研究具有较大的难度，而许多学者也开展了相关实验。刘凤霞等[38]将PIV技术运用于二维槽道涡旋波流场在不同相位上速度分布和应力分布的测试，PIV系统对示踪粒子相关的数字图像信息进行数据采集，定量地描述了管道中涡旋波的形成及发展过程，从而得到了流场轴向流动规律；陈彬等[39]通过2D-PIV测量了槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场，并从涡的尺度属性、力学属性和运动属性方面分析了展向涡的分布特征，其实验表明展向涡对流场雷诺应力的影响较小；刘阁等[40]同样对流场进行2D-PIV测量获取了对称槽道瞬态速度的矢量数据，并利用POD技术进行了模态分解以及涡波流场的重构，以此对涡旋波流场的流动特征进行分析。涡旋是影响管道流流动非常重要的一个因素，通过对流场中的涡旋进行研究，能够提取有价值的流场信息。

Zhai等[41]运用Micro-PIV技术研究了微热流体在管路中的流体动力学特征以及涡旋空腔的形成，发现流量较大区域会导致传热增强，在腔区形成的涡流可以增强管路内流体的流动湍流、强化传热；Reza等[35]利用PIV技术对不同角度的淹没薄板管路流动结构进行了研究，分析验证了管路中不同涡旋产生的原因，涡旋的发展、溃灭以及对流场产生的影响，而Lin等[42]研究了管道孤立波冲撞水下垂直板后产生的涡旋以及涡旋的消散过程，发现涡旋的大小会影响板侧最终成长的水深大小。在Reza和Lin的实验中，PIV技术均成功捕捉了管道流场水下涡旋的变化过程，验证了PIV技术非侵入性的特点尤其适用于研究流动特性复杂多变的管道流场。目前对于流场中涡旋现象的研究已有很多，但要将PIV技术与数值模拟相结合才能更好的掌握涡旋发展规律，服务于管道流研究。

3 结语及展望

(1)由于具备能够完成瞬态、多点、无接触式测量的特点，PIV在气固、气液、固液两相管道流研究中得到了较好的应用，提升了测量的准确性，其通过对流场瞬时速度变化、全场速率变化、涡量变化等参量的捕捉，能够对流场流动特征进行较为精确的表征。

(2)管路流场复杂多变，流体流动受到了较多因素的影响，需要进一步研究示踪粒子、流场的形成因素、流场内部特征等因素对流场流动特性的影响，并且将PIV技术与数值模拟理论相结合，建立真实且能反映实际的流动模型，这样才会得到更好的测量结果。

(3)PIV技术要在管道流研究中更好地发挥作用还需要与实际研究方向相结合，这样才能更好地掌握管道流场的流动特性，以此必将达到指导工程设计、优化运行、节约工业成本、提高经济效益的目的。