泥沙管道輸送水平速度分布的PIV測量

1、泥沙管道輸送水平速度分布的PIV測量陳煒河海大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 常州（213022）E-mail：peterchen0926摘要：本文利用PIV技術(shù)對泥沙輸送中清水和低濃度混合物水平速度分布進行測量，證明清水和體積濃度僅為0.005%水沙混合物水平速度分布差異很小，進而可以在兩相速度滑移研究中用混合相速度分布代替液相，與固相進行比較。關(guān)鍵詞：PIV；兩相速度滑移；水平速度分布中圖分類號：TV134.1 TV149.21引言管道水力輸送被廣泛應(yīng)用于疏浚工程中的泥沙輸送，管道水力輸送最基本的問題就是兩相流動。對管道中離散的顆粒相和連續(xù)的液體相（水）混合運動機理的研究，是管道水力輸送技術(shù)的應(yīng)用關(guān)

2、鍵1。多年來，盡管固液兩相流動的混合運動機理的研究經(jīng)過實驗的不斷積累，但絕大部分理論仍然處于經(jīng)驗階段2，這給接下來的研究帶來了重重困難。因此，研究兩相流流動的速度分布和兩相速度滑移意義重大。本文采用的測量系統(tǒng)，軟件中保證固相和液相速度同時進行測量時，固體顆粒速度的測試誤差較大，剔除顆粒產(chǎn)生的液相速度誤差也較大，為了保證測量的精度，只能將固相速度測試和液相速度測試分離開，并且用混合相的速度代替液相速度，與固相速度比較，從而得出兩相速度滑移。本文是在河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心的管道水力輸送有機玻璃模型實驗臺上利用PIV技術(shù)對泥沙輸送中的清水和低濃度混合相的速度進行測量比較，證明清水和低濃度

3、混合物水平速度分布差異很小，進而在兩相速度滑移研究中用混合相速度分布代替液相，與固相進行比較。2水平速度分布的PIV測量2.1 PIV測試技術(shù)的基本原理PIV技術(shù)的基本原理是：在流場中布撒反光性良好且密度與流體相當?shù)氖聚櫫Ｗ痈S流場運動，脈沖激光光源經(jīng)過組合透鏡成片光，照明流場中一個很薄的層片，用數(shù)字相機拍攝流場照片，得到相鄰兩幀粒子圖片，對粒子圖像進行圖像分析計算得到各粒子位移，由此位移和曝光時間間隔，進一步處理得到流場中的其他運動參數(shù),如流場速度矢量、速度分量、流線、旋度等3。2.2 實驗裝置此實驗裝置主要包括有機玻璃模型實驗臺和PIV測量系統(tǒng)兩部分。2.2.1 有機玻璃模型實驗臺的組成有

4、機玻璃模型實驗臺主要包括泥泵及驅(qū)動調(diào)速裝置、泥沙輸送管道及泥沙注入和回收裝置、參數(shù)測量及監(jiān)控裝置等4。整體布局如圖1：圖1 實驗臺整體布局圖2.2.2 PIV測量系統(tǒng)的組成本實驗中采用的PIV系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件系統(tǒng)包括：照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數(shù)字相機和計算機。軟件系統(tǒng)是粒子圖像分析系統(tǒng)軟件MicroVec V2.0，其集成了PIV、PTV等功能模塊。各組成部件參數(shù)如下表：表1 PIV系統(tǒng)組成及參數(shù)名稱型號主要參數(shù)激光器SM-LASER350-10激光波長: 532nm；單脈沖能量：350mJ；脈沖寬度：6-8ns；重復(fù)頻率：1-10HZ；相機SM-CCD11M0

5、5Kodak 科研級芯片CCD：分辨率4000×2672(11M)；采集速率：5幀/秒；NIKON 85mm/F1.4 專業(yè)光學(xué)鏡頭同步器SM-MicroPulse725軟件SM-MICROVEC2TECPOLT 10.0PC機Intel Core2, 2G RAM實驗設(shè)備布置圖如圖2所示：圖2 實驗設(shè)備布置圖2.3 實驗工況兩相速度滑移實驗工況中，參考傅旭東、王光謙5等人的研究，實驗用沙選擇泥沙粒徑范圍1.52.0mm，中值粒徑為d50=1.736mm的粗沙，體積濃度選擇為0.005%，選擇在3m/s、4m/s、5m/s三個流速條件下進行實驗。本次實驗先進行清水實驗，再進行同兩相速

6、度滑移實驗工況的混合相速度分布測量。激光器打光位置選擇水平放置的矩形管道中間位置，如下圖3所示：圖3 激光位置示意圖3實驗結(jié)果及分析本文研究的主要是水平方管中清水和低濃度混合物的水平速度分布。3.1 清水實驗結(jié)果通過清水實驗，了解管道內(nèi)單相液體流動的規(guī)律和特性：通過不同流速下的清水時均流速的對比，我們發(fā)現(xiàn)管道中心位置附近的流速較大，靠近壁面的區(qū)域速度逐漸降低。同一種流速條件下，不同X位置的水平速度沿Y方向分布規(guī)律幾乎一致，如圖4，5，6：圖4 V=3m/s 清水時均速度場和不同X位置水平速度分布情況 圖5 V=4m/s 清水時均速度場和不同X位置水平速度分布情況圖6 V=5m/s 清水時均速度

7、場和不同X位置水平速度分布情況由于在整個流場區(qū)域內(nèi)，水平速度分布不隨X位置變化而變化，所以選取X=130mm位置作為代表，比較不同流速下，水平速度分布，如圖7：圖7 不同流速下，X=130mm處，清水水平速度分布結(jié)合圖4、5、6、7可以發(fā)現(xiàn)：隨著流速的增加，高速區(qū)域的位置逐漸上移。當V=3m/s時，高速區(qū)域在Y=6070mm之間，在管道中心以下；當V=4m/s時，高速區(qū)域在管道中心附近；當V=5m/s時，高速區(qū)域在Y=7080mm之間，在管道中心以上。存在上述現(xiàn)象的原因可能是圓管和方管接頭處的過渡段上下不對稱，導(dǎo)致速度較低時，高速流區(qū)在管道中心以下，如圖8所示：圖8 圓管和方管過渡段3.2 低

8、濃度混合相實驗結(jié)果本次實驗加入沙的體積濃度僅為0.005%，對液相流動結(jié)構(gòu)的影響很小，混合相時均速度場與清水規(guī)律大致相同，如圖9-11：圖9 V=3m/s 混合相時均速度場和不同X位置水平速度分布情況圖10 V=4m/s 混合相時均速度場和不同X位置水平速度分布情況圖11 V=5m/s 混合相時均速度場和不同X位置水平速度分布情況混合相水平速度分布也是呈現(xiàn)隨著速度增加高速區(qū)上移的現(xiàn)象，由于顆粒的存在，混合相水平速度分布與清水相比稍有差異，仍以X=130mm位置為代表，如圖12：圖12 混合相和清水的水平速度分布比較圖中，同一流速下，在管道上半部分，混合相速度略高于清水流速。管道下半部分則沒有此

9、規(guī)律。由于兩者相差很小，我們認為可以用混合相近似替代液相與固相進行比較。4結(jié)論在管道水力輸送模型實驗臺上，利用PIV技術(shù)對管道輸送中流體速度分布進行了實驗研究，結(jié)果表明：(1) 管道的物理結(jié)構(gòu)特性對管道中流體的流動特性有影響。圓管方管過渡段的非對稱性使得速度較低時，高速區(qū)在管道中心位置以下，速度較高時，高速區(qū)位置上移。(2) 體積濃度0.005%的沙的存在，幾乎沒有影響液相的流場及流動結(jié)構(gòu)，在兩相速度滑移的測量中，可以近似的用混合相速度分布代替液相速度分布，和固相速度進行比較，從而分析兩相速度滑移。5.致謝借此機會，特別感謝河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心倪福生老師及其團隊給予的指導(dǎo)和幫助！

10、參考文獻1 趙立娟,倪福生.管道固液兩相流研究的意義、內(nèi)容和方法J.管道技術(shù)與設(shè)備,2003,1:3-5.2 劉光臨.流體輸送M.水利電力出版社,1993.3 孫鶴泉,康海貴,李廣偉.PIV的原理與應(yīng)用J.水道港口,2002,3.4 周慶年,秦福星,趙亮,倪福生,于國躍.利用模型試驗臺研究管道輸送阻力特性J.內(nèi)燃機與動力裝置,2009,6.5 傅旭東,王光謙.明渠挾沙水流的顆粒相平均速度及速度滑移J.泥沙研究,2003,12.Measurement of the horizontal velocity profiles in sand-transporting pipelines using

11、PIV techniqueChen WeiMechanical and electrical Engineering College, Hohai University, Changzhou, Jiangsu (213022)AbstractIn this paper, the horizontal velocity profiles of both water and dilute sand/water mixture in transporting pipelines are measured using PIV technique. The results show that there is little difference between the two kinds of profiles. So in the research on the interphase velocity slips of sand and