平板混和层流动的可视化实验研究

　　1前言

　　由速度不同的两股流体形成的混和层流动是典型的具有大尺度拟序结构的自由剪切流动[l]，对混和层流动特性的研究是深入认识其它复杂流动现象，如:射流、尾流[z]等现象物理本质的基础。混和层流动有着广泛的工业应用前景，在燃烧器、气体激光器[z]、航海[s]、化学反应[’]等行业中都非常重要。在过去20多年里，人们认识到在很宽的Re数范围内大尺度拟序结构是紊流混和层所固有的，混和层的生长被这些涡结构的配对机理所控制[e]。LasheraS等[v]发现在混和层的早期发展过程中，剪切层由附加在展向涡上的旋向相反的流向涡对所组成，并且这种拟序的流向涡结构是混和层对于上游三维扰动的非稳定响应的结果。而Hussahi等[s]对于空气射流轴对称混和层的可视化研究则表明高流速的射流混和层流动是一种典型的无序的剧烈三维运动，偶尔会出现明显的有序的大尺度拟序结构，但是持续的距离和有序性都非常小。

　　数值模拟研究则表明:混和层拟序结构的发展可分为基本线性的初始阶段和强烈非线性的发展阶段侧，低雷诺数时混和层动量厚度在涡的配对和涡的撕裂过程会有较大的增长[l0]。

　　上世纪90年代以来，人们开始对泡状流气液两相平板混和层流动进行研究。E.Loth等[l1}在R。数10000~700000、含气率最高为4%时对泡状流平板混合层流动进行研究后指出:随着气泡直径的增大，剪切层内旋涡和相干结构增加，同时阻力增大，最终导致剪切层厚度的减小。而在stokes数为1和扩散长度尺度比率口(分散相直径和混和层积分长度的比值，临界值0.07)超过临界值时可以观察到剪切层厚度的增加。v.Roig等[l2]的研究则指出:泡状流混合层的扩散速度明显高于单相混合层的扩散速度。B，Ford等[l3]发现气泡扩散宽度在大气泡尺寸和高流速时得到提高。P.M.Rightley等!‘4】采用激光衍射和PDPA技术对含有气泡云的平板混和层的研究表明:气泡云散布区域的发展主要受连续大尺度结构的影响，输运相内能量的重新分配和拟序结构的非均匀性有关。

　　虽然很多学者对平板混和层流动进行了研究，但是目前关于混合层内气泡与大涡拟序结构相互作用的研究还远未充分。本文拟对竖直方形通道内的单相和两相混和层流动进行可视化实验研究，通过对单相和两相时流动结构的对比研究平板混和层流动中大涡拟序结构的发展规律以及气泡与大涡拟序结构的相互作用规律。

　　2实验装置与测量方法

　　如图1所示，系统水流由上游离心式水泵驱动，通过软管2流入装有缓冲材料的缓冲水箱3和整流段4以使来流均匀。主流进入分流器6后在隔板两侧形成两股速度不同的流体，这两股流体在隔板下游混合后形成混和层。观察段10是一个内截面为40 x 110 mm的方形通道，采用透光率为92%的10~厚的有机玻璃制作，以便对混合层的形成及发展进行可视化观察和拍摄。