用PIV进行静电旋风除尘器流场的测定

研制中的静电旋风除尘器对亚微米粒子有很好的捕集效率,将其用在柴油机排气微粒的捕集上取得了非常好的效果[1].但其内部流场还不很清楚,这严重限制了对静电旋风除尘器的进一步研究,尤其像对清灰等问题的深入研究.

采用五孔球探针和热线风速仪可以进行流场等的测量[2,3],但是,五孔球探针和热线风速仪一次只能测量一个点,而且两者对流场都存在一定的干扰. PIV是一种在流场中同时多点(例如几千点)测量流体或粒子速度矢量的光学图像技术.它的测量精度和空间分辨力可以和LDV(激光多普勒测速仪)及HWA(热线风速仪)相媲美,而且对流场完全无干扰.

1　PIV系统及其原理

PIV系统有成像和分析显示两个主要的子系统.前者在流动中产生曝光粒子图像场;后者从图像场中提取和显示一个两维矢量场. PIV成像系统主要包括双脉冲YAG激光器、片光源光学元件及光传输系统、图像捕捉装置CCD和同步器等,其中激光器最大脉冲能量为50 mJ,CCD的分辨力为1 024×1 024;PIV分析显示系统包括帧抓取器、分析显示软件(安装于计算机内).帧抓取器将粒子图像数字化到256级灰度,并可将连续图像捕捉数据储存到计算机的内存中;用TSI Insight软件包分析视频或照相图像获得两维速度场,可以实时显示采样的图像数据,在线显示速度矢量场.

测试过程中,PIV系统利用光学元件把激光源发出的光束转变为片光,并照亮放有示踪粒子的流场.通过设置脉冲间隔Δt、脉冲延迟期、帧数等,使同步器控制图像捕捉和激光脉冲的次序,高速CCD相机捕捉到两个激光脉冲分别照亮流场的两幅图像,将图像转化为数字信号传入计算机.通过专用软件采用互相关或自相关的统计技术匹配图像对,测量出在Δt时间内示踪粒子在x,y方向上的位移Δx,Δy,进而计算出其在该方向的移动速度.

2　试验装置及试验方法

2.1　静电旋风除尘器试验模型的建立

研制中的静电旋风除尘器如图1所示.其结构上的主要特征是与普通旋风除尘器相比,内筒较长,锥体短,而且在内筒上有放电芒刺.在半径方向上,两筒间隔为50 mm,芒刺高为15 mm.

由于PIV只能测二维的平面流场,而在静电旋风除尘器中,切向速度的分布对其性能的影响比较大,因此,选择与静电旋风除尘器轴线相垂直的截面进行测量.由PIV系统的测试原理可知,如果对和轴线相垂直的截面进行测量,则激光应从和轴线相垂直的方向入射,CCD相机的镜头应和轴线方向相一致.如果将CCD相机放置在排气管一侧,在试验过程中,由于排气管要连接气泵,难以布置,所以将CCD相机放置在灰斗一侧.而灰斗的锥体及上锥体会对光产生一定的折射而影响测试.