气液两相流动粒子成像测速技术.docx

1、气液两相流动粒子成像测速技术气液两相流动粒子成像测速技术 (PIV 研究进展3许联锋 , 陈刚 , 李建中 , 金上海(西安理工大学水力学研究所 , 西安 710048 摘 要:粒子图像测速技术 (PI V 作为一种全新的无扰、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 PI V 技术 , 目前还处于起步与发展阶段。本文对近年来两相 PI V 技术的发展及取得的成就进行了回顾 , 简要地分析了 PI V 技术在两相流测量中的潜在优势及存在的困难 , 着重对目前两相流 PI V 技术中的关键技术 -相分离方法进行了较为详尽的总结与评述 , 并对 PI V

2、技术在分散相颗粒尺寸及浓度测量方面的应用进行了讨论。关键词 :多相流体力学 ; 两相流 ;PI V ; 相分离方法 ; 粒径分析 ; 浓度测量中图分类号 :T V13113+4 文献标识码 :AR esearch advances of particle im age velocimetry forgas 2liquid tw o 2phase flowX U Lian feng ,CHE N G ang ,LI Jianzhong ,J I N Shanghai(Institute o f hydraulics , Xi an Univer sity , Abstract :As a new

3、 method for non2intrusive velocity measurement ,particle image velocimetry (PI V is widely used in as well as in gas flow , but the tw o 2phase PI V measurement technique is in In recent years ,many researchers have made great efforts in this field and gets ,superiority ,difficulty of PI V used in t

4、w o 2phase flow measurement and the recent of separation methods a key technique in tw o 2phase PI V measurement are presented in this paper. The particle size and concentration measurement methods are als o discussed in this paper.K ey w ords :multiphase fluid mechanics ; tw o 2phase flows ; PI V ;

5、 phase separation ; size analysis ; concentration measurement收稿日期 :2004203223基金项目 :国家自然科学基金项目 (50079020 ; 陕西省教育厅科研计划项目 (00JK 190作者简介 :许联锋 ,1971 年出生 , 男 , 讲师 , 博士1引言气液两相流作为两相流中的一种 , 广泛应用于水利、动力、化工、核能、石油、冶金等领域。早在 1907 年, 气液两相流就被用来减少波浪对建筑物的破坏作用 ; 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、

6、以及化学反应过程 ; 在水利工程中 , 通过向水流中掺气就可以避免建筑物受到空蚀破坏。这些系统的性能如何 , 在很大程度上取决于气泡运动以及气泡与液相之间的相互作用。然而 , 由于气液两相流动的复杂性 , 很多年来 , 气泡流动系统的设计主要基于经验或经验数据进行的 , 目前还没有关于两相气泡流动中相间相互作用的精确的完整描述。因此 , 必须开发能够获得两相流动的定性和定量数据的测量技术 , 为理论模型的建立及数值模拟技术的检验提供详细的实验数据资料。在过去的二十年里 , 为了更好的了解这类流动的物理机理及动力学特性 , 测量技术也取得了很多进展。最常见的测量技术如激光多普勒风速仪 (LDA

7、和相位多普勒风速仪 (PDA , 都是单点测速技术 , 它们可以提供两相流中单点的信息以及时间平均意义上的流动结构 , 但这些技术均不能同时提供每一相的瞬时的、全场的流速数据 , 很难将测得的数据和控制相间动力学特性的物理机理联系起来。因此要对多相流动有好的理解 , 研究相间微尺度空域信息及其结构非常必要。上世纪八十年代发展起来的粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry , 简称第 23卷第 6期2004 年12 月水力 发 电学 报JOURNA L OF HY DROE LECTRIC ENGI NEERI NG V ol. 23N o. 6Dec. , 200

8、4PI V 是在流动显示的基础上 , 充分吸收现代计算机技术 , 光学技术以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 , 它是一种瞬态、全场量测技术 ,这使得其能够检测流动的空间结构并直接揭示出相间的耦合作用 , 为多相流动研究开辟了新的途径。但由于离散相的存在 , 两相流 PI V 技术比单相流 PI V 技术困难得多 , 近年来 , 国内外许多学者在这方面进行了不懈的努力 , 并取得了一些进展 , 但并未得到及时的报道。因此 , 回顾 PI V 技术在气液两相流中的应用研究具有一定的意义。2PIV 测试技术的原理与优点PI V 技术的基本原理 1 就是在流场中撒入示踪粒子 ,

9、以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度。应用强光 (片形光束 照射流场中的一个测试平面 , 用成像的方法记录下两次或多次曝光的粒子位置 , 用图像分析技术得到各点粒子的位移 , 由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量 , 并计算出其他运动参量 (包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、旋度图等 。PI V 技术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。 PI V 的突出优点表现在 :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

10、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 PI V 技术已接近成熟 , 并广泛应用于湍流等复杂流动的测量中。3气液两相流 PIV 测试技术及其难点两相流的粒子图像测速技术是单相 PI V 的示踪粒子 , 用脉冲激光片光源照射所测流场区域 , 的位置 , PI V 图像中还包含了离散相颗粒 (气泡 的丰富信息 , 不仅能给出速度 , 为研究两相流动特性尤其是不定常流动提供了新的有力工具。由于离散相颗粒 ( , 两

11、相数字图像处理技术比单相困难得多 , 其不仅要分辨出代表同一相的颗粒 , 而且要将代表不同相的颗粒区分开来。两相颗粒之间会发生碰撞 , 遮挡甚至翻转。代表两相流动的颗粒如果光学性能不同 , 会给在同一底片上成像带来很大困难。由于代表两相的颗粒密度不同 , 水平取像时 , 重的相的粒子易跑出片光的照射区域 , 从而很容易造成找不到示踪粒子的相关点。颗粒的粒径与浓度要用特殊的方法进行处理 , 用一般的片光取不到相位信息 , 故两相测量的图像数字处理技术尚处于起步与发展阶段。目前只有少数学者开始在气 -液、液 -固等低速简单流动中进行可行性研究 (王希麟等 ,1998 2。两相 PI V 技术的一个

12、挑战性问题是如何将悬浮相和示踪相的粒子图像区别开来 3。因为在实验中 , 两相的信息是同时存在于同一幅图像中的 , 如果对两相流 PI V 图像不进行任何处理就采用传统的 PI V 算法进行计算 , 在离散相粒子的周围会发现伪矢量的存在。这是因为 , 事实上离散相与携载流体 (连续相 间的运动有显著的差别。此时获得的速度将受到分别来自两相的信号的影响 , 也就是说 , 它是不同相速度在某种意义上的平均 4 。也有人认为 , 当诊断窗口内含有一个或几个大粒子时 , 测得的流速为大粒子的流速而非连续相的流速 , 这是因为大粒子的衍射强度要比小粒子的衍射强度大很多 (Jakobsen ,1996 5

13、。为了应用 PI V 研究多相流动 , 就必须改进单相 PI V技术以消除相间的相互影响。各种两相 PI V 算法的主要差别之一就在于对图像上分散相与连续相示踪粒子进行分离时所采用的方法不同。 4 气液两相流 PIV测试技术中的相分离方法通过调查现有文献 , 可以发现当 PI V 被用于同时测量两相时 , 有如下六种不同的基本技术可以实现相分离 :11 荧光标记法 (Fluorescence tagging。荧光标记法被广泛应用于气泡流动中 , 使用这种方法时 , 连续相 (液相 的运动由荧光粒子来标记 ,荧光粒子的特点是当这些粒子被激光照射时 , 它可以发射出不同于原激光颜色的光 (即光的波

14、长发生了变化 , 而气泡散射的光的颜色与原激光颜色相同 , 因此可以通过区分不同颜色的方法来进行两相的分离。各相分离后 , 采用单相 PI V 技术即可获得每一相的流速场。具体实施时 , 这种技术或者要求采用彩色照相机记录图像 , 然后通过图像处理的方法区分不同颜色的信号 ; 或者使用两架黑白照相机 , 通过在两架相机 401水 力 发 电 学 报 2004年前加装不同带宽的光学滤镜 , 就可以分别记录下荧光粒子 (液相 及气泡的图像。这种方法实际上是采用硬件设备来实施相分离的 , 因此它也许是最为成熟的一种相分离技术。国际上著名的 PI V 设备生产商丹麦的 Dantec 公司及美国的TSI

15、公司在测量气泡流动时都采用了这一技术。但显然这种技术的缺点就是其成本太高,这是因为除了需要荧光粒子以及一个高能量的激光来产生足够亮度的荧光图像外,这种技术还需要采用两台黑白相机 (由同步器连接 或者一台彩色相机 , 而不是 PI V技术中通常所使用的一台黑白相机。关于标记法的应用 , 可参见T okuhiro (1998 6, 等的文章。21 亮度分辨法。这种方法基于连续相示踪粒子与离散相气泡 (颗粒 的成像灰度级之间的差异来进行相分离的。为了防止相间的严重干扰 , 这种技术要求连续相示踪粒子的最大散射横断面要和离散相粒子的散射横断面相差一个数量级。即使正确的选择了示踪粒子 , 这种方法也要求仔细的调整和耐心的优化成像 , 来消除相间的干扰 , 使不同相粒子间的灰度差别尽可能的大。各相分离后 , 采用单相 PI V 技术即可获得每一相的流速场。使用这种方法的文献可参见 Ess on (1996 等7 的文章。31粒径分辨法。基于连续相示踪粒子与离散相粒子的颗粒大小之间的差异来