气液两相流中气泡运动速度场的PIV分析与研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第17卷第4期实验力学Vl01．17No．42002年l2月JOURNALOFEXPERIMENTALMECH~qICSDec．2002文章编号：1001—4888(2002)04—0458-06气液两相流中气泡运动速度场的PIV分析与研究许联锋，陈刚，李建中，邵建斌(西安理工大学水力学研究所，陕西710048)摘要：粒子图像测速技术(PIV)作为一种无扰、瞬态、全场速度测量方法，已被广泛应用于液体或气体的单相流流速场测定．对于两相流PIV技术，目前还处于起步阶段

2、，本文应用PIV技术的基本原理，对静止液体中的气泡运动速度场进行了分析，并对有关气液两相流测量问题进行了探讨．关键词：粒子图像测速技术(PIV)；气泡运动；两相流PIV技术中图分类号：TD943文献标识码：A1引言气液两相流广泛应用于动力、化工、核能、石油、冶金等领域．气泡羽流作为气液两相流的一种，在工程中也得到愈来愈广泛的应用．例如，在河口用气泡幕防止盐水的侵袭；控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水质；加速反应装置中的物质混合、热量交换、以及化学反应过程；防止水路和港口结冰，为水生物增氧等等．所有这些工程措施

3、的运行效率如何，在很大程度上与气泡的运动特性密切相关，传统的流速测量方法很难精确测出两相流中粒子的流速，目前世界上只有两种最先进的流速测试方法可以精确地的测出两相流中粒子的流速[1]：一种是粒子动态分析仪(ParticleDynamicsAnalyzerSystem，简称PDA)，另一种就是粒子图像测速技术(ParticleImageVelocimetry，简称PIV)，本文就是采用这种先进的测速方法对气泡流动中的气泡流速进行实测研究．PIV技术是上世纪80年代在流动显示基础上，充分吸收现代计算机技术、光学技术

4、及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段．它不仅能显示流场流动的物理形态，而且能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃．PIV的·收稿日期：2002—07—25；修订日期：2002—11-30基金项目：国家自然科学基金项目(50079020)及陕西省教育厅科研计划项目(00JK190)资助作者简介：许联锋(1971一)，男，西安理工大学水力学研究所讲师，博士生．主要从事计算流体力学及流动可视化测试与分析等方面的教学与科研工作．维普资讯http://www.cqvip.c

5、om第4期许联锋等：气液两相流中气泡运动速度场的PIV分析与研究459突出优点表现在：1)它突破了空间单点测量(如LDV)的局限性，实现了全流场瞬态测量；2)它实现了无扰测量，而用毕托管或HWFV等仪器测量时对流场都有一定的干扰；3)容易求得流场的其他物理量，由于得到的是全场的速度信息，可方便的运用流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息．因此，该技术在流体测量中占有重要的地位．目前单相二维PIV技术已发展相当成熟，但两相测量的PIV技术尚处于起步与发展之中．目前只有少数学者开始在气液、液固等低流速、低分散

6、相密度的流动中进行可行性研究．本文也是该工作的初步探讨．2实验设备与测试方法实验装置主要包括两部分，即流体控制系统及图像采集系统如图1所示．b针孔布置方案a流体控制系统c照明摄像系统图1实验装置示意图流动系统主要由空气压缩机、气体分布器以及水箱组成．实验是在长300mm，宽25mm，高900mrn的二维透明有机玻璃水箱内进行的．水箱的底板为可方便拆卸的气体分布器，它由一行均匀对称分布的7个8号医用针头组成，这些针头可方便的拆卸以适应研究不同气泡浓度时气泡运动特性之需要．实验所用的液相为自来水，气相为压缩空气，经

7、调压器、调节阀门以及有机玻璃制的导气装置后由气体分布器射入充满自来水的有机玻璃长方体形箱体中．图像采集系统主要包括照明系统、记录系统以及图像采集软件．照明系统光源使用普通卤素灯，采取体照明方式而不是传统PIV片光照明，这是因为本文的气泡流动是在二维水箱内进行的．图像记录系统采用美国UP-610逐行扫描数字CCD摄像机，其分辨率为640×474像素，帧频为110FPS；图像采集卡采用Mtrox公司的Meteor—II／Digital卡；SANNI系列云台、镜头控制器可方便的进行光圈大小及镜头焦距的调整；采集软件M

8、il—lite6．1可方便的调整两幅图像间的采集间隔，满足不同流速场测试需要；具有实时的图像采集与显示功能．维普资讯http://www.cqvip.com46O实验力学(2002年)第17卷图像摄取过程中，为了获得满意的图像质量本文采取了以下两方面的措施：一是在气泡流动图案的后侧有机玻璃上蒙上一块黑布，它的作用有二．第一，由于从壁面反射回来的光很强，对相对较弱的粒子散射光产生了干扰，