图像法用于流化床颗粒运动速度测量的实验研究

　　1　引　言

　　流化床由于颗粒的强烈湍混表现出良好的物料混合特性,床内温度均匀、燃烧稳定,环保性能优越,在城市生活垃圾等低热值燃料的焚烧处理中具有非常广泛的应用前景。在燃烧城市生活垃圾等燃料时,由于我国垃圾混合收集的特点,入炉燃料具有与煤等常规燃料完全不同的颗粒分布特性,垃圾的密度、粒度组成非常不均匀,需要设计专门的布风方式来保证流化。因此,研究垃圾在进入流化床内的流动特性对于合理组织燃烧工况、保证洁净燃烧具有非常重要的意义。

　　传统的研究方法,如单点测量法由于时间相关性差,对于瞬息万变的流化床颗粒的运动速度场参数进行准确测量非常困难。而由于理论的不成熟,数值计算还不能作为流化床颗粒的运动行为的依据。浙江大学在八十年代曾经开发了频闪摄影的方法来研究流化床内的运动特性,虽然取得了一些有意义的研究结果[1],但也暴露出试验手段复杂、分析不便等缺点,要研究流化床流动特性,有必要采用新的测量研究手段。

　　采用高速CCD拍摄流化床内的颗粒运动图像,并借鉴数字化粒子图像测速法(DPIV)开发基于相关算法的速度场测试技术进行流动特性的研究。它是一种非接触的测量方法,能够迅速得到全场测量结果,研究结果对于流化床中的流动特性研究具有重要的参考价值。

　　2　DPIV测速原理

　　2·1　DPIV技术简介

　　数字化粒子图像测速法DPIV(Digital ParticlesImage Velocimetry)是与激光散斑测速法(LSV)以及粒子图像测速法(PIV)一起发展起来的测量方法。其原理是通过对相邻两帧运动图像的某一特定位置的诊断窗口内粒子移动的分析来实现全场速度测量[2]。

　　DPIV是随着数字化技术发展起来的新一代测量方法。跟传统的测量方法相比,它具有以下特点:

　　(1)它采用的是全场速度测量方法,同时可以得到流场内每一点的速度,对于时间相关性大而不适合采用单点测量的流场具有明显的优越性;

　　(2)它是一种光学测量方法,属于非接触测量,对被测流场无干扰,与接触式测量相比具有优越性;

　　(3)对于时变性大的流场,DPIV可以先拍摄流场图像,事后进行处理;

　　(4)采用单点测量时可以测到流场内任一点的速度,而用DPIV技术测量时,对于光线无法穿透的三维流场,无法进行有效测量,这是DPIV技术与单点测量相比所存在的不足。

　　将DPIV技术用于传统流场速度测量已经比较成熟,例如翁文国等将其用于水射流运动研究[3],王延等将其用在水流流场测定[4],并用此计算了相应的流函数。近年来,虽然有采用全息技术处理后可以同时记录三维流场内的流动形态,再通过二维处理后可以将三维流动场内每一个截面上的速度测量出来的文献报道,但在流化床密相区中的高浓度物料运动中,目前还很难实现三维运动的测量。因此,作者采用两维床来研究流化床的流动特性,并移植了DPIV的相关算法来计算物料运动速度场。