PIV在化工搅拌釜内流动测量中的应用.pdf

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1、4化工机械2013年PIV在化工搅拌釜内流动测量中的应用+杨斌”高凯淡勇(西北大学化工学院)摘要着重探讨了新一代全场光学测速技术——粒子图像速度场仪(PIV)在搅拌混合实验中的应用。指出PIv及其衍生的测速技术在搅拌混合实验研究中具有广泛应用前景。PlV流场测量结果兼具很高的空间分辨率和时间解析度，可以得到搅拌釜中混合流体的瞬时2D或3D速度场以及浓度场等信息，进行非定常湍流特性研究，有助于建立搅拌釜内多相流动模型，揭示搅拌混合作用机理，优化搅拌桨型设计，促进搅拌混合技术的进一步发展。关键词搅拌釜混合

2、湍流流场粒子图像速度场仪中图分类号TQ051．7文献标识码A文章缩号0254·6094(2013)0l删J06搅拌釜是重要的过程装备，在化工、能源动力、医药、食品、生物工程、日用化学品、高分子合成材料、造纸、冶金、染料、肥料以及废水处理等多个领域都有广泛的应用。通过搅拌可以加快两种或两种以上具有不同性质物质间的传质速度，从而达到减小边界层厚度、强化传质、加速传热及快速均化混合的目的⋯。搅拌混合效果的好坏直接影响相关工业生产率，甚至可能决定整个工艺流程的可行性。物料在搅拌桨推动下的流动状态决定了物料均化

3、、传热、传质及反应的程度，搅拌釜内不同的流场对应有不同的混合效果。获取搅拌釜内混合流动的流场信息，不仅有助于搅拌混合机理及其工业放大理论的研究忙o，进行搅拌釜的优化设计，而且可用于验证数值模拟的可靠性。但是搅拌釜内的物料混合是一个有限空间中的复杂菲定常强旋转湍流问题，且多伴有强烈的传质、传热乃至反应，流动测量对空间分辨率和时间解析度同时具有较高的要求。早期的搅拌釜内混合流动测量研究主要应用毕托管‘“81和热力式风速仪(HwA)"一1

4、，随着激光光学系统和信号处理器的快速发展，激光多普勒测速技术(LDV

5、)在搅拌混合流动测量中得以广泛应用¨2—3。。相比毕托管和HWA，LDV采用非接触式光学测量手段，不会干扰流场，测量精度较高。但是，尽管HwA和LDV具有较高的时间解析精度(高频响)，上述的流动测量手段都是单点式测量，有限空间点上的测量结果不足以表征整个流场内的流动特性，特别是在搅拌釜内非定常强旋转湍流问题中，湍流结构对搅拌混合具有重要作用。近二十年来，PIV作为新一代全场光学测速技术，得到了广泛应用。它突破了传统单点测量的限制，可以得到非定常流场的瞬时整场信息，兼有定性显示功能。应用PIV可以获取搅

6、拌釜内混合流动的瞬时速度场以及浓度场，进而分析搅拌混合宏观流动特性，探讨搅拌混合作用机理，验证数值模型可靠性，优化搅拌桨型设计。PIV及其衍生的测速技术在搅拌釜内流动实验中已有大量应用并且还具有更为广泛的应用前景。1PIV(粒子图像测速技术)基本原理粒子图像速度场仪(PIV)基本原理如图l所}国家自然科学基金青年项目(11102153)和陕西省工业攻关项目(20llKl001)和陕西省教育厅专项基金资助项目(1lJK0619)。}}杨斌，男，1978年11月生，讲师。陕西省西安市，710069。第40

7、卷第l期化工机械5示，在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光光源入射到所测流场区域中，通过连续两次曝光，粒子的图像被相机成对记录，采用适宜的图像处理算法，获取查问域内颗粒的平均位移，由于两张图像曝光时间间隔是已知的(通过控制两束激光发射的延迟时间)，从而得到对应空间点上颗粒的速度，在整个测量区域内逐个处理就可获得流场速度分布m驯。图lPIV系统组成及其基本工作原理根据流场中的粒子浓度的高低，粒子图像测速技术又可以分为3类呤¨：粒子浓度高的情况下，采用激光散斑测速技术(LSV)；如果流场中的粒子浓度很低

8、，在确定粒子位移时常常采用单个粒子的识别和跟踪的方法，称为粒子跟踪测速技术(PTV)；流场中的粒子浓度中等，此时采用确定在最小分辨容积内所有粒子的统计平均速度的方法，即粒子图像测速技术(PIV)。2PIV在搅拌釜实验研究中的应用2．12D-PIV(二维PIV)2D—PIV技术已成为研究各种复杂流场的一种基本手段，在搅拌釜内混合流动的研究中也得到了广泛应用，大致可分为如下4类：a．应用PIV测量在搅拌桨推动下单液相流体的速度场，分析桨形结构对搅拌釜内搅拌流场的影响‘22啪3；b．应用PIV进行物料性质对

9、搅拌效果影响的实验研究‘2即71；c．数值模拟与PIV实验相结合，采用预测一校正的科学研究方法进行搅拌混合设备设计‘28吲1；d．搅拌釜内两相(或三相)混合流体中液相速度场以及离散相浓度场的PIV实验研究‘32。351。．2．2TR-PIV(Time·resolvedPIV)TR．PIV(Time—resolvedPIV)通常又被称为动粒子A的速度“。2A砒”(A}—·0)“．=A，他￡(△f一0)态PIV(DynamicalPIV)或高速PIV(Hig