PIV與PLIF同步測量方法在湍流擴散研究中的應(yīng)用

1、Piv與PLIF同步測量方法在湍流擴散研究中的應(yīng)用摘要:為了定量分析湍流中濃度、溫度等標(biāo)量的輸運過程,需要同時獲取流場空間內(nèi)速度和標(biāo)量的脈動值, 以確定湍流擴散特征量。詳細介紹了同步應(yīng)用粒子圖像測速與平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)開展測量和數(shù)據(jù)處理 的方法，并應(yīng)用該方法獲取了槽道內(nèi)兩種流體的湍流擴散通量等特征量研究結(jié)果表明，該方法可有效地應(yīng) 用于湍流擴散研究領(lǐng)域。關(guān)鍵詞:粒子圖像測速；平面激光誘導(dǎo)熒光；脈動速度；標(biāo)量輸運；湍流擴散Application of Simultaneous PIV and PLIF Measurements inTurbulent Diffusion StudyAbstrac

2、t:To do quantitative analysis for the transport process of scalars in turbulence，such asconcentration and temperature，it is necessary to acquire the velocity and scalar fluctuations value in flow fields at the same time so that to determine characteristics of turbulent diffusion. The methods of meas

3、uring and data processing by application of simultaneous particle image velocimetry ( PIV) and plane laser-induced fluorescence ( PLIF) techniques are introduced in detail. Moreover，the methods are used to obtain the turbulent mass flux of two fluids in the turbulent channel flow. The results show t

4、hat the method can be applied effectively in the field of turbulent diffusion.Key words:particle image velocimetry; plan lasernduced fluorescence; fluctuation velocity;scalar transport； turbulent diffusion隨著激光測速和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的發(fā)展， 粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry，PIV) 和平面激光誘導(dǎo)熒光(Planer Laser-Induced Fluor

5、escence PLIF)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于湍流與燃燒等 場合下流動介質(zhì)的速度場測試、結(jié)構(gòu)顯示與標(biāo)量 輸運測量等方面。其對推動湍流流動及與之相關(guān) 的傳熱傳質(zhì)過程的研究具有非常重要的意義。PIV和PLIF兩者結(jié)合可用來同時測量流體 流動空間的速度場和標(biāo)量場。文獻1針對合成 射流，采用PIV和PLIF測試了混合過程中的渦分 布，清晰獲得了不同射流參數(shù)下渦的特征；文獻 2采用PIV和PLIF，同步測量了沖擊射流近壁 區(qū)的速度場和溫度場，得到了沖擊區(qū)內(nèi)的湍流熱 通量;文獻3針對PLIF測量中光強與熒光染料 濃度之間關(guān)系的校準(zhǔn)方法進行了討論，并利用新 的校準(zhǔn)措施成功開展了對濃度和速度場的PIV與 PLIF

6、同步測量；文獻4,采用PIV和PLIF技 術(shù)，同步測量了黏彈性壁湍流中的近壁速度和濃 度,得到了黏彈性流體在湍流中的擴散特征;吳浩 瑋等人結(jié)合PIV與PLIF技術(shù),對燃燒器中燃 油旋流過程進行了測量，取得了流場與燃油分布 的結(jié)果。綜上所述，國內(nèi)外應(yīng)用PIV和PLIF測量技術(shù) 的研究較多,但其中有些尚未真正實現(xiàn)兩者的同 步測量，且國外已有的相關(guān)研究中并未對同步測 量方法本身以及取得湍流通量的數(shù)據(jù)處理方法做 具體闡述。本文基于PIV和PLIF的測量原理以 及兩者各自成熟的測量方法，結(jié)合實驗裝置，具體 介紹開展PIV與PLIF同步測量的方法和實驗數(shù) 據(jù)處理方法,并將其應(yīng)用于兩種不同類型流體的 槽道湍

7、流擴散流動中，用來測定槽道內(nèi)的脈動流 速、脈動濃度以及湍流擴散傳質(zhì)通量等特征量，為 定量分析湍流中標(biāo)量輸運等過程提供支持。1方法概述PIV技術(shù)通過記錄某瞬時大量空間點上的速 度信息，用以提供豐富的流場特性與空間結(jié)構(gòu)等 信息,是一種無干擾、瞬時、全場的激光測速法。 它利用測量得到的速度場,可計算出多種物理量, 如脈動速度、速度梯度、渦量場及旋轉(zhuǎn)強度等，已 在流體力學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。PIV測速主要 原理是利用流場中分布的示蹤粒子的速度代表其 所在流場內(nèi)相應(yīng)位置上流體的速度)。片光源照 射流場中的測試平面，用相機記錄多次曝光的粒 子位置，借助圖像分析技術(shù)即可得到各點粒子的 位移,再由位移和曝光時

8、間可得到各點的速度矢 量。PIV技術(shù)主要涉及的設(shè)備包括激光光源及控 制、數(shù)字圖像采集與分析等設(shè)備。應(yīng)用該技術(shù)的 主要難點在于對示蹤粒子的跟隨性能與播撒濃度 的把握以及曝光時間的設(shè)置等，一般需要根據(jù)實 驗介質(zhì)與平均流速等條件,在校準(zhǔn)階段以粒子圖 像質(zhì)量高、速度矢量相關(guān)性好為原則，來確定合適 的粒子濃度與曝光時間。PLIF技術(shù)通過記錄某瞬時平面空間內(nèi)激光 誘導(dǎo)熒光的信息從而反饋出濃度、溫度、酸堿度等 標(biāo)量信息，是一種非接觸式標(biāo)量測量方法囪。它 已成功應(yīng)用于燃燒結(jié)構(gòu)顯示與診斷、混合研究、噴 霧分析、污染物的擴散等研究領(lǐng)域。PLIF測量標(biāo) 量信息都是基于染料受激光照射后發(fā)射熒光的性 質(zhì)而開展的。以測定

9、濃度標(biāo)量為例，熒光強度會 隨熒光染料濃度的變化而變化。如果測得了局部 熒光強度，就能算出染料濃度的局部分布。濃度 與熒光強度存在以下的關(guān)系c (; J)|_ B(; J)_ c (; J),( )Eye 只 solution ( 1 /C0H0A0式中:c( ; J)空間位置上的瞬時濃度；C 0基準(zhǔn)濃度；研；J)空間位置上的瞬時熒光強度；Ho基準(zhǔn)熒光強度。PLIF技術(shù)主要涉及的設(shè)備有激光光源及控 制設(shè)備、濾光鏡、數(shù)字圖像采集與分析設(shè)備等。應(yīng) 用該技術(shù)的主要難點在于對熒光染料混合濃度的 把握以及染料跟隨性的確定，一般需要在測量前 開展基準(zhǔn)實驗，建立熒光強度和染料濃度的具體 比例關(guān)系。為避免光路中

10、熒光吸收現(xiàn)象的出現(xiàn), 采用的染料濃度一般較低。此外,還可以根據(jù)分 子擴散和湍流擴散的強度來證明染料跟隨溶液的 有效性，即短時間內(nèi)兩者的擴散界限不存在大的 差異。PLIF測試系統(tǒng)可與PIV測試系統(tǒng)連接并聯(lián) 合使用，實現(xiàn)測試平面內(nèi)標(biāo)量場和速度場的同時 測量，即為PIV與PLIF的同步測量方法。其已應(yīng) 用在湍流傳熱傳質(zhì)、霧化、燃燒等研究領(lǐng)域。 PIV 和PLIF的同步測量的主要原理相對于PIV與 PLIF單體并沒有變化，只是需要采用如二向色鏡 的分光鏡等設(shè)備，分離由平面空間內(nèi)示蹤粒子反 射的激光和染料激發(fā)出的熒光。通常這兩種光的 波長不同,故易于分離和捕獲。實現(xiàn)同步測量的 設(shè)備即集成PIV與PLIF

11、的系統(tǒng)，需要采用兩臺相 機分別測量同一瞬時的粒子運動和熒光強度圖 像。另外，同步器需要同時控制兩臺相機和激光 器，其他設(shè)備不變。2測量裝置及其設(shè)置試驗針對某一透明有機玻璃材質(zhì)的二維槽 道內(nèi)的湍流流動展開。測試面為槽道中心沿流 向T垂直壁面方向（；J）的平面。該同步測量系 統(tǒng)如圖1所示。采用雙脈沖激光器（Nd： YAG， 30 mJ/pulse，532 nm），激光片光厚度為 1 mm， 傳播角為20。使用兩臺相同的CCD相機（電 荷耦合,2 048像素x2 048像素），分別拍攝測 試平面內(nèi)粒子位移與熒光分布的圖像，與同步 器相連并在同一時間觸發(fā)。此外，兩臺相機的 安裝軸線相互垂直，其交線位置

12、布置一個與它 們成45。角的二向色鏡，其允許波長在569 -730 nm范圍內(nèi)的熒光通過，如此可分開由槽道流動 中示蹤粒子散射的激光，以及從槽道側(cè)面注入 的被染料染色溶液激發(fā)出的熒光。.觀察窗同步器CCD相機-1 (PIV)Nd:YAG激光器CCD相機-2 (PLIF)注入壁面40 mm分光鏡zA x固定板圖1 PIV與PLIF同步測量系統(tǒng)示意試驗測試段為6.00 m X0.50 m X 0.04 m （長X寬X高）的矩形槽道，其一側(cè)布置有 1.65 m x0. 50 m x 0. 001 7 m（長 X 寬 X 厚）、孔 徑為150 !m的多孔不銹鋼絲網(wǎng)燒結(jié)層壓板，其 滲出面與槽道內(nèi)表面保持

13、水平。多孔板與密封腔 室連接用來向槽道注入染色的水或溶液。槽道內(nèi) 流量由安裝在測試段上游的電磁流量計監(jiān)測，其 測量精度為0.01 m3/min,槽道內(nèi)循環(huán)流體溫度 保持在25 0.5 d %測試中，添加聚乙烯粒子作 為示蹤粒子,其平均粒徑為20 !m，相對密度為 0.92，并采用合適濃度以得到清晰的速度圖像% 同時，為獲取熒光圖像，注入的水或溶液均被染 色，采用的染料為無毒、非致癌性羅丹明VT系 列，混入溶液后的質(zhì)量濃度為5 mg/L，能在532 nm波長的激光誘導(dǎo)下發(fā)射出580 nm長的熒光測試過程中，槽道內(nèi)監(jiān)測的流量約為0.016 m3/s，對應(yīng)槽道內(nèi)的平均流速為0. 82 m/s%基 于

14、槽道的高度（24,40 mm）和水的黏度，槽道內(nèi) 流動的雷諾數(shù)接近40 000%試驗中湍流流動介 質(zhì)為水此外，因高分子聚合物溶液具黏彈性， 與湍流流動耦合作用后能表現(xiàn)出不同于一般牛 頓流體的擴散特征，故測試中從槽道多孔壁面 分別注入水和水溶性高分子聚合物溶液，注入 速度約為2.9 X10-4 m/s，用作對比分析，以驗 證采用同步測量方法在湍流擴散領(lǐng)域應(yīng)用的可 行性與準(zhǔn)確性所采用的聚合物是由日本Seika公司生產(chǎn)的 PEO-18Z粉末，主要成分為聚氧化乙烯，分子量約 為4.3 X106 %通過在去離子水中溶解，配置成質(zhì) 量濃度為50 mg/L的聚合物溶液，其有效性和可 重復(fù)特性在試驗中得到了嚴(yán)

15、格的保證關(guān)于熒光 強度與染料濃度之間的關(guān)系，經(jīng)原位校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)對 于50 mg/L的聚合物溶液和水，在本試驗的染料 濃度條件下,其誘導(dǎo)熒光在測試光路中無明顯衰 減，聚合物濃度與熒光強度成正比,比例系數(shù)經(jīng)回 歸約為120 %3同步測量數(shù)據(jù)的處理采用互相關(guān)技術(shù)處理同步測量獲取的piv圖 像，交互區(qū)為64像素x64像素，并基于每個垂直 壁面位置上62 500（ 125 x500）個速度矢量進行 湍流統(tǒng)計分析。通過對所有采集的瞬時piv圖像 樣本做系綜平均，可以得到每個速度矢量位置上 的平均速度,從而可以得到每幅瞬時圖像中每個 速度矢量位置上的脈動速度值plif圖像的大小和數(shù)量與piv圖像設(shè)置一 致（本

16、文中均取500幅瞬時圖像），但采集到的信 息為有效范圍內(nèi)2 048 x2 048個像素點及各像素 點上的熒光強度。進行同步測量數(shù)據(jù)處理時，為 保證采集到與速度對應(yīng)同一個位置的濃度，在分 析處理PLIF圖像時，取圍繞速度位置點臨近5 x 5個像素點熒光強度值的平均值為該速度位置點 的熒光強度值。該處理方法的示意圖如圖2所 示。圖2中黑點即為速度矢量位置。根據(jù)該設(shè)想，結(jié)合plif校準(zhǔn)測試中所得到的 熒光強度與染色濃度的線性關(guān)系，通過自編程序 處理，即可得到每幅瞬時圖像中各速度矢量位置 上的濃度值及其系綜平均值，從而可以得到平均 濃度和瞬時脈動濃度場。利用與上述時間對應(yīng)的瞬時脈動速度場和瞬 時脈動濃

17、度場，就可以計算出湍流擴散的特征量, 以實現(xiàn)真正意義上同步測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。4應(yīng)用與結(jié)果4.1平均速度和濃度圖3和圖4分別給出了應(yīng)用同步測量方法得 到的槽道截面內(nèi)平均流向速度和注入溶液在垂直 壁面方向上的平均濃度分布。圖3中的縱坐標(biāo)為 基于槽道內(nèi)平均速度（5=）做無量綱化的平均流 向速度;圖4中的縱坐標(biāo)C/C0代表基于注入水或 溶液最大熒光強度值計算的無量綱平均濃度值。圖3槽道截面上不同類型流體的平均流向速度分布圖4垂直壁面方向不同類型流體的平均濃度分布由圖3可以看出，槽道中呈拋物線分布的平 均流向速度,經(jīng)積分可求得槽道內(nèi)截面上平均速 度為0.82 m/s。該結(jié)果與試驗槽道內(nèi)通過流量 反算的平均

18、流速一致。這也證明了測量結(jié)果及該 同步測量方法的可靠性。此外，對比發(fā)現(xiàn),靠近多 孔壁面處，注入聚合物溶液的平均速度分布略大 于注入水流的平均速度，這與黏彈性的高分子聚 合物溶液造成的湍流減阻現(xiàn)象一致。黏彈性溶液 抑制近壁渦結(jié)構(gòu)，使得近壁區(qū)域內(nèi)流體脈動速度 傾向于以流向方向為主導(dǎo),從而改變了近壁區(qū)域 的速度分布。槽道另一側(cè)壁面附近的流體因注入 聚合物溶液擴散較慢并未受到影響,速度分布與 注水條件下相同。由圖4可以看出，在注入聚合物溶液的條件 下,溶液的平均濃度在近壁處梯度很大，且其近壁 的無量綱平均濃度明顯高于注水條件下的值，而 注入的水在垂直壁面方向整體平均濃度梯度較小 且很平穩(wěn)。這表明，與水

19、相比，聚合物溶液在槽道 湍流中的擴散較慢。究其原因，同樣是受黏彈性 溶液抑制了湍流渦結(jié)構(gòu)的影響。這些定性結(jié)果與 文獻4/5中的報道一致，反映了同步測量中標(biāo)量 測定結(jié)果的可靠性。4.2脈動速度與濃度圖5給出了注入水和聚合物溶液條件下測量 平面內(nèi)典型瞬時流向與垂直壁面方向的脈動速度 和量與脈動濃度圖。圖5中的云值即為該瞬間各 矢量位置上的無量綱脈動濃度值由圖5( a)可知，在注水的槽道中，速度矢量 反映出了豐富的渦結(jié)構(gòu)信息，且注入的被染色的 水分布在全場，表現(xiàn)為各處脈動濃度均有較大的 值。由圖5( b)可知，受注入聚合物溶液的影響, 槽道湍流中近壁渦結(jié)構(gòu)得到一定程度的抑制，聚 合物的擴散也受抑制，在遠離壁面位置，脈動濃度 值較小。由此可見，應(yīng)用同步測量方法，可以很方 便地獲取能反應(yīng)流動結(jié)構(gòu)和濃度標(biāo)量瞬時分布的 信息，便于查明兩者的相互作用機制與影響。圖5測量平面內(nèi)不同類型流體的脈動 速度矢量和脈動濃度4.3湍流擴散的質(zhì)通量湍流質(zhì)通量由測量所得的平面內(nèi)相同位置脈 動濃度值與脈動速度值相乘而得，隨后結(jié)合所有