气固两相流体绕方柱流动的PDPA实验研究

　　1 引言

　　各种柱体的绕流流动是流体力学研究的重要内容，而且在工程应用中非常常见，比如飞行器研制、桥梁、烟囱的建造以及换热器的设计等。掌握流体(有时是两相流体)流过柱体障碍物的流动特性对于许多工程设计问题非常重要，长期以来一直吸引着众多研究者的兴趣。其中以绕圆柱和方柱的流动尤为重要，不仅因为它们在工程技术中应用最广，而且研究它们也是了解其它各种柱状钝体绕流的基础。

　　这类研究大部分集中在无约束圆柱绕流上^[1~3] ，包括一些涉及到颗粒相在圆柱湍流边界层中的流动特性^[3] 。虽然方柱绕流在各种工程应用中也起着非常重要的作用，但是相对于圆柱绕流方面已发表大量研究成果和人们比较深入的认识，人们对方柱绕流的研究还比较初步。这方面的研究以单相气体或液体绕方柱流动的情况为多，包括对较低 Re 数绕流进行的数值模拟^[4,5] ，也有利用各种技术对较高Re 数流动进行的实验研究(多用水流)，比如 FHWA(飞行热线技术)[6]，LDV 技术[7]和 PIV 技术^[8] ，还有用 PDPA 技术测量气固两相流场的研究^[9] 。在气液两相流体柱体绕流的方面也有了一些数值和实验的研究[10~12]。

　　中等或较高雷诺数下气固两相流体绕柱体的流动在工程中经常遇到，比如钝体煤粉燃烧器、烟气换热器等。但是由于气流绕方柱流场的不规则性，颗粒在流场的分布很不均匀，使得其研究非常困难，目前无论是实验或是数值模拟都还没有人进行过气固两相流体方柱绕流的研究。本文工作就是利用三维多普勒粒子动态分析仪(3D-PDPA)对方形通道内气固两相流体流过方形柱体的流场进行研究，探索方形柱体绕流流场结构、脉动特性以及气固两相的相互影响等流动特性。

　　2 实验装置与测试系统

　　2.1 实验段及装置

　　本实验测量对象为：在横截面为方形的实验段中间横向布置一个尺寸为 12mm×12mm×100mm的长柱体，阻塞比 D/H=0.12，实验段竖直放置，气流从下而上横吹柱体，见图 1 所示。

　　由于柱体长度远大于其横截面边长，测量面就布置在柱体下游的竖直对称面上，因此可以忽略柱体两端的影响而认为是无限长柱体绕流问题。实验段前方透光面采用氟化玻璃窗，背面为有机玻璃板并涂黑以减少反射的背景光干扰，提高激光接收信号质量，其它管路由铁皮制成。气固两相流通过实验段后由旋风分离器分离并收集固体颗粒使之循环使用，排气流向引风机。整个实验台系统如图 2 所示。

　　测点布置在方柱下游流场区域内，实验中只选取了流场左半部分进行测量。测点横向间距Δy=2mm，取了 16 个点，即 y=0~2.5 D。纵向选取了 x/D=1、1.5、2、2.5、3.5、5.5 等 6 条线。由于光路的限制，紧靠方柱的区域没有测点。