PIV应用于气固多相流动的研究现状

    0　引言

    经过近10年的发展,二维平面PIV技术已获得了人们的普遍认可。作为研究各种复杂流场的一种基本手段,现在已经广泛应用于各种流动中,从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多相流动等。气固多相流动是能源、化工、冶金,气力输送等工程实际中普遍存在的一种形式。对气固两相流动特性的理解一直是当今前沿课题。由于气固多相流动具有复杂的三维空间特性,难以用完善的流动模型描述,一般采用模型分析与实验研究相结合的方法。在过去实验研究中,采用的常见的有热线风速仪和LDV等方法,但这些方法的缺点是只能获得空间单点的信息,而PIV则能获得瞬态的全流场流动状况。因此,采用先进的测试技术PIV进一步研究气固多相流动特性不但具有一定的学术价值,而且具有工程意义。国内外许多学者为此做出了不懈的努力。Merzkirch W等[1]在1997年对PIV在多相流动的应用做了综述,但主要是侧重气液多相流。近几年,PIV技术在气固多相流动应用方面取得了一些进展还未得到及时的报道。因此,回顾近年来PIV在气固多相流动的应用研究具有一定意义。

    1　PIV测试技术原理及优势

    近年来,由于计算机技术及激光应用技术的迅速发展,PIV技术已趋于成熟。PIV技术(Parti-cle Image Velocimetry)指的是选择粒子浓度使其成为较高成像密度模式,但成像系统像面上并未形成散斑图案,还仍然是真实的粒子图像(或单个粒子的衍射图像)。此时,这些粒子已无法识别,底片判读只能获得一个判读小区域中多个粒子图像位移的统计平均值。PIV系统主要由照明、成像和图像处理等部分组成(图1)。证明部分主要包括连续或脉冲激光器、光传输系统和片光源光学系统;成像部分包括图像捕捉装置CCD和同步器。图像处理部分包括帧捕集器和分析显示软件。帧捕集器将粒子图像数字化,并将连续图像储存到计算机的内存中。分析显示软件分析视频或照相图像,实时显示采样的图像数据,在线显示速度矢量场。在测试时,激光器发出激光束,光学元件将光束变成片光源照亮所测流场。如是脉冲激光器,需设置脉冲间隔,脉冲延迟期和激光脉冲等,高速CCD相机捕捉2个激光脉冲照亮流场的两幅图像,并将图像转化为数字信号传入计算机。通过专用的软件采用一定的图像处理算法匹配图像粒子对,测出在一定时间间隔内示踪粒子在x,y方向上的位移,速度等于位移除以时间间隔,可得出移动速度大小和速度方向。

    PIV技术与单点测量方法如皮托管,热线风速计和激光多普勒测速仪相比,优点是突破了空间单点测量技术的局限,能进行二维和三维全场瞬时速度测量,对流场干扰小,并可以获得了流动的瞬时速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力分布等。PIV技术非常适用于研究涡流、湍流等复杂的流动结构,这是其它单点测量技术难以或无法做到的。同时,现在的PIV系统还具备了与单点测量仪器(如激光多普勒测速计LDV等)相当空间分辨率,即使仅限于二维测量,PIV技术也是一种详尽的研究复杂流动的定量工具。由于PIV上述的优势决定了将其用于研究工程气固多相复杂流动的可能性。