水平槽道冷态气固两相湍流边界层中颗粒分布及颗粒尾流特性的实验研究

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中文摘要：气固两相湍流广泛存在于工业生产过程中，而边界层内固体颗粒的分布及运动特性直接影响流体的流动阻力，颗粒对壁面的磨损。气固两相湍流边界层的测量对优化工业生产设施、实现能源高效清洁利用具有指导意义，本文采用数值模拟和实验结合的方法，研究了数字全息技术应用于气固两相流测量的可行性。搭建水平槽道流实验平台，结合数字全息和粒子图像测速技术（PIV）研究了边界层内固相颗粒的分布特性和气相流动结构，测量了煤粉颗粒运动过程中的旋转速度，利用全息PTV算法获得了颗粒的三维速度，运用PIV研究了不同颗粒雷诺数下壁面对颗粒尾流结构的影响。主要内容如下： 1.数字全息技术应用于多相流颗粒场测量通过模拟和实验研究激光数字全息技术测量不同粒径、浓度分布的多相流场颗粒粒径、三维位置，说明应用数字全息技术测量几微米到几十微米颗粒的粒径分布和空间位置具有可行性；显微全息测量小颗粒时，大颗粒的存在会影响小颗粒的粒径测量和z轴定位的准确性，当颗粒可见度太小时，颗粒的测量误差增大，甚至不能被识别；分析测量结果表明对样品颗粒的均匀分散是精确获得样品粒径分布和空间位置的重要环节。 2.水平槽道中固相颗粒的分布特性和气相流场结构利用数字全息技术三维、非接触的测量优点对水平槽道内充分发展的气固两相湍流边界层中固相颗粒的分布特性进行了实验研究。结果表明：流体处于层流时，流速较低，对颗粒的夹带能力大大减弱，颗粒基本沉积在壁面上。随着流速升高，达到湍流状态，颗粒分布的峰值出现在对数律区。随着颗粒粒径的增加，峰值移向壁面；随着流体速度的增加，峰值移向槽道中心。不规则颗粒在与壁面碰撞作用下，其旋转速度达几百转每秒，且随着流速的升高转速增大。颗粒向壁面运动主要受重力作用以及准流向涡下扫事件的影响，颗粒远离壁面运动受Magnus升力、喷射事件以及颗粒与壁面碰撞的影响。向壁面运动的颗粒由于经过流体携带加速，速度较高；而远离壁面的颗粒经过与壁面的碰撞，有很大的动量损失，速度较低，造成向壁面运动颗粒的平均速度要高于远离壁面颗粒的速度。 3.颗粒尾流特性的PIV实验研究研究了水平槽道湍流边界层中不同颗粒雷诺数，颗粒位置对颗粒尾流的回流区长度，速度场以及涡量场的影响，结果表明：在G/D=0时，颗粒下部的漩涡脱落已完全被抑制，其尾部只有一个顺时针回流区。随着颗粒与壁面距离的增加，在颗粒后缘会出现一对回流区——上方回流区的漩涡呈顺时针旋转，而下方呈逆时针，且壁面对颗粒尾流结构的影响逐渐减弱。当颗粒与壁面间距较大时（G/D=1.0），颗粒的上下分别会形成速度梯度较高的剪切层，两排漩涡结构分别从颗粒的上方和下方分离脱落，随后在颗粒尾部相遇后抵消汇合。分析此时颗粒尾流在近壁面处的速度分布，发现壁面边界层的状态并没有被颗粒底部的剪切层改变，而且距离颗粒越远，颗粒的这一影响越小。分析颗粒尾部涡量场说明，在间距G/D=1.0时，颗粒尾部上方和下方都有漩涡脱落，且随着颗粒雷诺数的增加其峰值明显增大。随着颗粒与壁面距离的减小，壁面的存在使得下方的涡量值减小，同时下方涡脱落引起的壁面剪切层的涡量值也有所减少。当G/D=0时，颗粒下方的漩涡脱落被彻底抑制，从涡量的大小来看，脱落漩涡的强度也明显减小。

作者：

薛志亮

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关键词：

颗粒分布尾流特性气固两相流水平槽道湍流边界层煤粉颗粒

授予学位：

硕士

学科专业：

热能工程

导师：

吴学成

学位年度：

2015

学位授予单位：

浙江大学

语种：

中文

中图分类号：