示綜粒子問題

1、對(duì)于湍流中粒子的跟隨性問題的研究，大多以 BBO（Basset-Boussinesq-Oseen）方程為基礎(chǔ)，利用流體與顆粒速度的 Fourier積分來推求懸浮顆粒與流體速度的幅值比和相位差0,并把n 和作為跟隨性的判別指標(biāo)。則簡化無量綱BB。方程為：Ot I3 ）竺=壬 O | 1 *2 -Ur12dt 61出S）耳哮浩 （17）式中:山和T為已知的特征值和準(zhǔn)數(shù)，從式（14）可以看 出八其實(shí)就是粒子與流場的速度幅值比L五？就是粒 子與流體的密度比。選用粒子與流場的速度幅值比W 來反映粒子的跟隨性.本文定義跟隨性函數(shù)為：F =弓=甲| S ）（18）F的值越接近于k粒子的速度越接近于流場速度即

2、粒了的跟隨性越好。當(dāng)背景流場的運(yùn)動(dòng)信息為已知 時(shí)町以求得以上跟隨性方程的唯一確定解，因而可以得 出密度比責(zé)對(duì)跟隨性的影響.并且,對(duì)于已知背景的流場（即密度P”黏性系數(shù)向和運(yùn)動(dòng)信息烏己知）,由式（14 ）及特征肘間的定義可以將跟隨性函數(shù)18 ）變形為：F =弓=咒（與羿）（19）因此利用式（18 ）也可以很方便地分析粒子粒徑對(duì) 跟隨性的影響.(2-4)(2-4)式中：“深嬴?隊(duì)自”湍那房；為黏性系數(shù) 0為粒子與流體密度比：Q.為流體密度；4為粒子直徑。但是對(duì)于BBO方程，有6個(gè)限制條件：流場空間無限；球形粒子直徑很小，流體和 顆粒相對(duì)速度的雷諾數(shù)大大小于1;顆粒粒徑應(yīng)小于K。加。gorov微尺度

3、以致顆粒與流體水湍流Pf = 1 000 kg/h?,黏性系數(shù)M = 1. 72X 10 kg/tn s分析粒子粒徑范圍取為= I 20 空氣中 Pr = 1. 293 kg4n F = 1. 709X 1() - kg/his, 粒徑范圍取為dp =Q 2 2 Mm表2空氣湍流中兒種示蹤粒子的跟隨性函數(shù)Table 2 Folbw ing function value of several kinds of particle tracers in atnospheric turbulence粒子二氧化鈦鋁粉煙硅油水滴DOP氣溶膠乙二酵蒸汽頃）3 5002 0801 830900800797a

4、463dp冊m跟隨性F1. 000 01. 000 0I. 000 01. 000 01. 000 01. 000 01. 000 04Q 999 80.999 9a 999 91. 000 01. 000 01. 000 01. 000 06Q 999 30. 999 7a 999 8a 999 9a 999 90. 999 91. 000 08a 997 90. 999 2a 999 3a 999 8a 999 80. 999 81. 000 010a 995 10. 998 1a 998 5a 999 5a 999 60. 999 61. 000 012a 990 20. 996 2a

5、9卯oa 999 1a 999 30. 999 31. 000 014a 982 50.993 3a 994 7a 998 4a 998 70. 998 71. 000 016a 971 10. 988 8a 991 2a 997 5a 997 90. 997 91. 000 018a 955 50.982 6a 986 2a 996 1a 996 80. 996 81. 000 020a 935 10. 974 3a 979 6a 994 2a 995 30. 995 31. 000 0表1粒子半徑口與 S的關(guān)系 TOC o 1-5 h z Tab 1 Relationshqj betive

6、en par tick radius andsa /m10- 6lb $10- 4跟隨時(shí)間 L OX KT 6 1 02( 10-4 1. OX 10-1. 02滯后距離尚】2 X IO* 2 X Of 2 X KT 0 22v.注：表中Uq單位為m /s表1氣體流場中常用的示蹤粒子Tab. 1 Tracing particles used in researching flow fields類型物質(zhì)平均直徑*m固體聚苯乙烯鋁鎂 玻璃球 合成棉顆粒 二氧化肽0.5-102 72 530 100 10-505 20煙 1,0時(shí)，則表示 粒子的運(yùn)動(dòng)超前于流體的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)n v 1,。v o時(shí)，則粒子

7、的運(yùn) 動(dòng)滯后于流體的運(yùn)動(dòng)。因此，只要給出n和。的表達(dá)式，就可以定 量估計(jì)粒子與流體的偏離程度4 5.以文獻(xiàn)10為例，試驗(yàn)采用的示蹤粒子是白色A12O3,粒子密 度為(3. 94. 0) X 10 kg/m3,粒子直徑為1. 768. 00 M m;隨湍流頻率增大，跟隨性變差，尤其在高湍流頻率下，跟隨性變 差更加顯著。在有燃燒的熱態(tài)速度場測量中對(duì)示蹤粒子的基本要求是：Q) 對(duì)氣流的追隨性好，(2 )耐高溫，(3 )不易結(jié)團(tuán)，(4 )透光性好， (5 )有較好的顆粒球形度等。最終選擇耐高溫的a型氧化鋁(A 120 3 ) 粉，其粒徑在3爐n左右.考慮到火焰的高溫特性和氣體的密度，常用于火焰的示蹤粒

8、子有 A 1203、T i02 、Z r 02、M g 0等，粒徑一般在5-10/m o 實(shí)驗(yàn) 初期分別采用A 12 03和Si02作為示蹤粒子，但由于其粒徑和密度 均比較大，而本實(shí)驗(yàn)中氣體流速小，攜帶粒子能力弱，因此使粒子 的跟隨性較差，不能滿足PIV測量的要求.最后在實(shí)驗(yàn)中選擇了粒 徑約2爐n左右的SiC作為示蹤粒子，其密度為3. 22 g/cn?。在2600C時(shí)分解,其在低速流中也具有較好的跟隨性.表1熱態(tài)流場常用示蹤粒子特性粒子物性鼐點(diǎn)(C)密度(g/cm3)SiC26003.22AI2O320504.0MgO28003.58TiO218504.26Zr。？26775.56表2.2火焰

9、流場常用示蹤粒子跟隨性計(jì)算值粒子ZrO2TiO?AI2OMgOSiCSiO2煙硅油密度5.564.264.003.583.222.662.371.16直徑跟隨性20.99880.99920.99930.99940.99950.99980.99970.999940.98220.98920.99040.99220.99360.99670.99680.999060.92100.95060.95590.96390.97020.98440.98300.995380.80240.86750.88020.90000.91630.95480.95090.9864100.65530.74780.76770.80

10、040.82860.90160.89370.9690120.51850.61900.64250.68290.71980.82550.81310.9404140.40900.50350.52700.56880.60870.73500.71920.8994160.32610.40950.43100.47020.50890.64150.62390.84681.2468101214161820粒渣 pm )圖2-1流場中跟隨性F與粒子直徑d的關(guān)系在考慮跟隨性和散射性之后，需要考慮粒子的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)槭情_闊的空氣 流場，粒子必須是無毒害的。而且本實(shí)驗(yàn)粒子的需求量很大，需要考慮到粒子的經(jīng)濟(jì)性。 最終

11、選擇了粒徑為15微米的SiO2粒子，表21顯示其密度為2.26,從表2.2中得到其跟隨 性在0.99以上，滿足跟隨性條件。其粒徑相對(duì)來說，比較適中，顏色為白色，散射性較 好，又因?yàn)闊o毒，價(jià)格低廉，其熔點(diǎn)為1670C,在流場中不參與反應(yīng)，滿足本實(shí)驗(yàn)的要 求。r/ I u - 辛實(shí)驗(yàn)中采用了兩種示蹤方式。(1)固體粉末不 蹤，采用耐高溫的固體二氧化硅粉末，其索太爾平均 直徑為6微米，可對(duì)全流場進(jìn)行流動(dòng)示蹤；(2)霧 化硅油示蹤，型號(hào)為201-10的二甲基硅氧烷由美國 Sunrisemedical醫(yī)用霧化器進(jìn)行霧化,其霧化粒度為 索太爾平均直徑3.6微米。液滴在火焰面附近揮發(fā)， 因而只對(duì)反應(yīng)物流場進(jìn)

12、行示蹤。在實(shí)驗(yàn)的過程中反復(fù)使用各種示蹤粒子，發(fā)現(xiàn)A，。，較Mg()、Ca()要好，試驗(yàn)過程中所使用的 示蹤粒子是Al/)-,粒徑為2 5 punoSeeding the flow with 0.9-2.2；zmAI2O3 particles.For the combined PIV/PTV approach, dry MgO with a meandiameter of about 1 爐n was used as seed material.以piv和dpiv為代衣的粒了示蹤全場光學(xué)測量屬TE直接測量技術(shù)，是以測 量的粒子運(yùn)動(dòng)來代表流場的運(yùn)動(dòng)因此，在全場光學(xué)測量技術(shù)中，有兩個(gè)關(guān)鍵主 導(dǎo)因素：

13、一個(gè)是良好的相干光源。激光只有良好的相干性和甲色性，因此，在全 場光學(xué)測量系統(tǒng)中激光器就無可替代的成為了光源的最佳選擇，這己經(jīng)達(dá)成了共 識(shí)；另一個(gè)就是示蹤粒子，在示蹤粒子的選擇方而還沒有確定的尺度，這】:要是 由于在不同條件卜對(duì)示蹤粒于的要求的不同o實(shí)際上，示蹤粒子大小的選擇要從三個(gè)方面來考慮：粒子的成像可見性即 粒子散射特性)；粒子的流動(dòng)跟隨性；粒子散布均勻度和濃度要求。對(duì)于跟隨性 而言，一般認(rèn)為粒了直徑越小越好，可是，粒子的成像可見性卻與其相反。因此, 如何正確地為全場光學(xué)測量找到一個(gè)比較合理的粒子選擇標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)很有價(jià)值 的研究工作。0.5 um alumina particles ( C

14、ombustion instability of a leanpremixed prevaporized gas turbine combustor studied usingphase-averaged PIV)Silicon oil droplets with an average diameter of 1 um produced(Lean premixed opposed jet flames in fractal grid generatedmultiscale turbulence )Si02 particles with 1 um ( Simultaneous dual-plan

15、e CHPUF, single-plane OH PLIF and dual-plane stereoscopic PIV measurements in methane-airturbulent premixed flames )0.3 um aluminum oxide particles was simultaneously imaged onto the cameras, (Influence of combustion on principal strain-rate transport in turbulent premixed flames ) The size of the t

16、racing particle MgO is less than 8 um so that the tracing characteristic and scattering area are optimal at the same time. ( Experimental study of flow dynamics and fuel spray characteristics in Lean Premixed Prevaporized Combustor )Scatter particles (TiO2) with a diameter of 0.8 |im that are small

17、enough to follow the large structure turbulence up to 1 kHz were added to the air flow.( Experimental investigations of an oscillating lean premixed CH4/air swirl flame in a gas turbine model combustor) oThe laser beams were expanded by the laser sheet fbnimig optics, and were scattered by 2 ixm SiO2 paiticles mixed ill the methane-air premixed gas. (Large-Scale Vortical Motion and Pressure Fluctuation in Noise-Controlled Swirl-Stabilized Turbulent Premixed Flame) During a data acquisition run, approximately 4% of th