高速攝像技術(shù)在空氣核形成、發(fā)展和穩(wěn)定過程中的應(yīng)用

高速攝像技術(shù)在空氣核形成、發(fā)展和穩(wěn)定過程中的應(yīng)用

0旋流器內(nèi)空氣核的研究主缸水壓機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于各種分離的設(shè)備。內(nèi)部空氣核作為其流場特征之一，由許多專家和科學(xué)家進(jìn)行了不同的研究。結(jié)果表明，由于rv-yale空氣試驗器的分離特性和分離效率有很大的影響，因此需要對空氣核進(jìn)行全面的研究。由于過去受到測試手段的限制,人們對旋流器內(nèi)空氣核的研究僅限于尺寸大小及其變化規(guī)律,而對其形成、發(fā)展直至穩(wěn)定的過程卻未見詳細(xì)的研究報道。鑒于此,筆者利用高速攝像技術(shù)對空氣核的形成、發(fā)展和穩(wěn)定過程進(jìn)行測試,以期為全面了解旋流器內(nèi)流場特性及分離特性提供依據(jù),也為進(jìn)一步深入研究旋流器分離機(jī)理和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供試驗依據(jù)。1空氣核的構(gòu)成條件水力旋流器空氣核的出現(xiàn)、發(fā)展直至形成與旋流器特定的幾何結(jié)構(gòu)和進(jìn)料方式有關(guān),根據(jù)文獻(xiàn)可知,旋流器的徑向壓力分布為:pr=pR?ρvin2n[(Rr)2n?1](1)pr=pR-ρvin2n[(Rr)2n-1](1)式中pr——任意半徑處的壓力,Pa;pR——旋流器器壁處的壓力,Pa;ρ——流體密度,kg/m3;R——旋流器半徑,mm;r——任意點處的半徑,r=0～R;vin——進(jìn)口速度,m/s;n——常數(shù)。由于r的變化,在旋流器徑向各處的壓力是不相同的,所以從旋流器壁向中心的徑向方向存在壓差,其值為:Δp=pR?pr=ρvin2n[(Rr)2n?1](2)Δp=pR-pr=ρvin2n[(Rr)2n-1](2)從式(2)可以看出,隨著r的減小,Δp必將增大。當(dāng)r減小到某一值時,將會出現(xiàn)Δp=pR,此時pr=0,如果再減小r,則pr將會出現(xiàn)負(fù)值,這樣會使液體中的氣體和從大氣中吸入的氣體進(jìn)入負(fù)壓區(qū)域,從而形成空氣核。因此,在水力旋流器某一半徑處流體靜壓力為0以及在中心區(qū)域內(nèi)壓力為負(fù)值(即入口壓力達(dá)到一定值)是形成空氣核的必備條件。依據(jù)參考文獻(xiàn)可知,空氣核內(nèi)壓力分布為:p=p0+ω2ρ0r22(1?2kr3ra)(3)p=p0+ω2ρ0r22(1-2kr3ra)(3)式中ω——空氣核旋轉(zhuǎn)角速度;ρ0——空氣核內(nèi)空氣的密度;k——常數(shù);ra——空氣核半徑。由于0<k<1,當(dāng)r減小時,空氣核內(nèi)的壓力下降。當(dāng)r=0(即在旋流器中心處)時壓力最低,其值p0可以依據(jù)液氣界面條件(r=ra、p=0)確定,由式(3)可以得到空氣核中心處的壓力為:p0=?ω2ρ0ra2(1?23k)(4)p0=-ω2ρ0ra2(1-23k)(4)空氣核壓力在旋流器整個軸向方向都是負(fù)值,且從底流口到溢流口的軸向方向存在壓力梯度,這是空氣核內(nèi)氣體軸向流動的推動力之一。2旋流器測試方案設(shè)計試驗所采用的旋流器結(jié)構(gòu)滿足Ritema優(yōu)化結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示,全部試驗在實驗室內(nèi)完成。試驗測試系統(tǒng)由旋流器物料輸送裝置和測試裝置組成,如圖1所示。旋流器物料輸送裝置由貯槽、離心泵、流量計、壓力表、旋流器、閥門等組成;測試裝置由高速攝像機(jī)、處理器、錄放機(jī)、監(jiān)視器、控制面板、計算機(jī)等組成。試驗時測試系統(tǒng)通過處理器提供一個高脈沖信號給攝像機(jī),攝像機(jī)將拍攝到的圖像傳遞給處理器,處理器將電信號轉(zhuǎn)變成圖像信號,并通過錄放機(jī)在監(jiān)視器上顯示,捕集的速度由控制面板設(shè)定。攝像機(jī)和處理器由日本KODAK公司生產(chǎn),其型號為KODAKEKTAPROHS4540MX,它提供了30、60、125、250、750、1125、2250、450fp8種幅頻模式,用戶可以根據(jù)需要選擇。當(dāng)確定記錄頻率后,還需要選擇記錄模式、取景模式以及回放模式,所有設(shè)置完成后就可以進(jìn)行拍攝了。試驗按要求對10、20、30°3種錐角的旋流器在2、3、4m3/h共9種工況下,對空氣核采用1125fp的幅頻模式進(jìn)行實測,這完全能夠反映出空氣核的整個特征。所拍攝的內(nèi)容被記錄在處理器磁盤上,通過監(jiān)視器和錄放機(jī)將所需要的部分存儲在計算機(jī)中,再進(jìn)行下一次拍攝任務(wù),每改變1次參數(shù)重復(fù)操作1次。3試驗結(jié)果與討論3.1旋流器內(nèi)部分植物引起空氣核的分離和混合結(jié)構(gòu)不同流量下旋流器內(nèi)空氣核的產(chǎn)生過程相似,都經(jīng)歷了形成、發(fā)展和穩(wěn)定階段,只是在每個階段所經(jīng)歷的時間不同。圖2是旋流器錐角為10°、流量為4m3/h時空氣核形成過程的典型特征。從圖2可以看出,由于旋流器內(nèi)的空氣受到液體擠壓而產(chǎn)生了類似于“葫蘆串”形狀的空氣核。當(dāng)液體充滿到旋流器溢流口下方時空氣核從底流口處開始消失,消失的長度與進(jìn)口流量有關(guān),流量越大消失的長度越長。當(dāng)旋流器內(nèi)全部充滿液體后,消失的空氣核又從上向下延伸至底流口,進(jìn)而形成貫通的空氣核,貫通過程中的空氣是從溢流口被吸入的。從圖2還可以看出,空氣核形成過程中在底流口附近區(qū)域擺動較大,在柱錐交界區(qū)域彎曲較大,形成穩(wěn)態(tài)后出現(xiàn)了“類繩扁平狀”的扭曲形態(tài),上、下直徑差異較大。由于錐角小,旋流器在相同直徑下底流口與溢流口距離遠(yuǎn),在液體充滿內(nèi)部空間而未完全形成旋轉(zhuǎn)流場時,液體所產(chǎn)生的液柱封住底流口,從而阻止了空氣從底流口被吸入。流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度是從上向下逐步增強(qiáng)的,內(nèi)部的負(fù)壓區(qū)域也是從上向下延伸的,從而導(dǎo)致空氣核從上向下延伸至底流口,進(jìn)而形成貫通的空氣核。此外,由于流場的隨機(jī)波動,出現(xiàn)了扭曲和彎曲現(xiàn)象。3.2旋流器內(nèi)流體的空氣核圖3是旋流器錐角為20°、流量為3m3/h時空氣核形成過程特征。從圖可以看出,空氣核形成過程與10°錐角旋流器相似,但也有其獨特特征?？諝夂嗽诘琢骺诟浇У拈L度很短,所產(chǎn)生的“類繩扁平狀”結(jié)構(gòu)位于錐體中部區(qū)域,上端柱體部分的空氣核呈柱狀,底流口處彎曲比較嚴(yán)重,且空氣核形成貫通的過程是由粗變細(xì),然后又由細(xì)變粗直至形成穩(wěn)定尺寸。由于旋流器內(nèi)流體達(dá)到一定旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度后才產(chǎn)生離心力場,液體剛充滿內(nèi)部空間時離心力場不是最大,中心區(qū)域的真空度也不是最大,負(fù)壓所存在的范圍也不是最大,所以空氣核出現(xiàn)變細(xì)現(xiàn)象;隨著流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和離心力場的增強(qiáng),使中心區(qū)域的真空度和負(fù)壓區(qū)域增大,所以出現(xiàn)了空氣核直徑增大的現(xiàn)象。從理論上講,如果進(jìn)料條件不發(fā)生波動,則空氣核尺寸和形狀將不會發(fā)生變化,但實際情況是進(jìn)料條件是隨機(jī)波動的,這就導(dǎo)致流場出現(xiàn)隨機(jī)波動,從而導(dǎo)致空氣核尺寸和形狀處于不斷變化之中。3.3單次給藥后,各形態(tài)和形態(tài)都有雜作圖4是旋流器錐角為30°、流量為3m3/h時空氣核形成過程特征。在空氣核的形成過程中,沒有出現(xiàn)空氣核消失的現(xiàn)象,但在底流口處產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的彎曲形狀,流量越大彎曲越嚴(yán)重;此外,空氣核存在由粗變細(xì),又由細(xì)變粗的過程。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,空氣核相對的變粗變直,“類繩扁平狀”形態(tài)不明顯,幾乎成柱狀。由于錐角大,旋流器在相同直徑下,2個出口的間距較近,開始充滿內(nèi)部的液體所形成的液柱不足以封住底流口空氣的吸入,所以沒有消失的空氣核出現(xiàn)。綜上所述,3種錐角旋流器的空氣核在產(chǎn)生過程中雖然有差異,但幾乎都在錐體中部出現(xiàn)“類繩扁平狀”形態(tài)的空氣核,錐角越小,該形態(tài)的長度越長,而且特征也越明顯。10和20°錐角旋流器在底流口出現(xiàn)了斷續(xù)的空氣核,但30°卻沒有出現(xiàn)此現(xiàn)象。在空氣核的形成過程中,最初是由底流口向溢流口方向發(fā)展,然后又從溢流口向底流口方向貫通,并存在由粗變細(xì),又由細(xì)變粗的過程。3.4從進(jìn)口流量對空氣核的尺寸特征的影響旋流器在不同錐角不同進(jìn)口流量下,空氣核達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的形狀存在很大的差異。圖5是10°錐角旋流器在不同進(jìn)口流量下空氣核達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的特征。從圖可以看出,流量越大,穩(wěn)態(tài)時空氣核扭曲越嚴(yán)重,流量小時彎曲嚴(yán)重;其次,不同進(jìn)口流量下空氣核直徑不同,進(jìn)口流量越大空氣核直徑越大,但其直徑沿高度的變化小;再其次,空氣核沿旋流器幾何中心偏擺,進(jìn)口流量小時上部偏擺大,進(jìn)口流量大時,底流口附近偏擺大。通過分析發(fā)現(xiàn),若要減小空氣核對流場和分離的影響,則每一種結(jié)構(gòu)的旋流器都有一對應(yīng)的最佳操作參數(shù)(進(jìn)口流量),在此條件下空氣核既不會產(chǎn)生過大的尺寸,也不會出現(xiàn)過分嚴(yán)重的“偏擺”現(xiàn)象。從圖5還可以看出,當(dāng)形成穩(wěn)定的空氣核后,流量為2、3m3/h時其形狀類似于正弦曲線;流量為4m3/h時,在錐體部分產(chǎn)生了“類繩扁平狀”的空氣核。因此,過去研究認(rèn)為空氣核的形狀是“柱狀、麻花狀、正弦狀”等形狀都是不全面的。從這里可以看出,空氣核的形狀是隨著流量的不同而發(fā)生變化的。對于20°錐角旋流器穩(wěn)態(tài)時空氣核的形狀特征而言,當(dāng)流量較大時,空氣核在錐體中部范圍內(nèi)出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象比較明顯,且底部彎曲嚴(yán)重,但在整個長度范圍內(nèi)的直徑尺寸變化較小;當(dāng)流量較小時,空氣核扭曲雖然不明顯,但在柱錐交界處出現(xiàn)了明顯的彎曲現(xiàn)象,且在整個長度范圍內(nèi)的直徑尺寸變化較大。對于30°錐角旋流器穩(wěn)態(tài)時空氣核的形狀特征而言,隨著流量的增加,彎曲和扭曲現(xiàn)象越明顯,但與10和20°錐角的旋流器相比,又要輕微得多;其次,無論流量是大還是小,空氣核在整個長度范圍內(nèi)的直徑變化都不明顯。綜上所述,隨著進(jìn)口流量的增大,旋流器內(nèi)流體旋轉(zhuǎn)離心力場也隨之增大,由于進(jìn)口結(jié)構(gòu)不對稱的影響,致使在流體旋轉(zhuǎn)離心力場增強(qiáng)的同時還伴隨著湍動的加劇,從而出現(xiàn)“類繩扁平狀”形態(tài)的空氣核。此外,由于在旋流器上、下部分存在徑向湍動差異,使得空氣核出現(xiàn)偏擺和彎曲現(xiàn)象。此現(xiàn)象是流場隨機(jī)波動的反應(yīng),但反過來它又影響著流場,這使得顆粒沿徑向方向的規(guī)律分布受到一定程度的破壞,從而導(dǎo)致分離效率的下降。不同結(jié)構(gòu)不同流量下所產(chǎn)生的空氣核對流場和分離的影響是不同的。為了減小空氣核尺寸和偏擺帶來的影響,不同結(jié)構(gòu)的旋流器應(yīng)有一最佳操作參數(shù),其優(yōu)化需要進(jìn)一步研究。4空氣核流器結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)的影響(1)旋流器空氣核在形成過