雙幀頻試驗(yàn)法在循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)上的應(yīng)用

雙幀頻試驗(yàn)法在循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)上的應(yīng)用

不沉降輸送循環(huán)流產(chǎn)燃燒技術(shù)是20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的一種新燃燒技術(shù)。床內(nèi)固相顆粒的特性是研究循環(huán)吞咽流的一般問(wèn)題。由于流場(chǎng)不均勻、碰撞和其他原因，氣、固兩相流的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象普遍存在。根據(jù)magnetus效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了增加的力，從而影響了其運(yùn)動(dòng)軌跡。例如，之所以砂粉可以在不降低維護(hù)成本的情況下通過(guò)管道傳遞，旋轉(zhuǎn)升力是其重要因素之一。氣、固兩相流分布特性以及流場(chǎng)的影響，如袁竹林等。例如，值模擬方法表明，在相同的流化條件下，旋轉(zhuǎn)床的平均間隙比旋轉(zhuǎn)床的平均間隙大。因此，旋轉(zhuǎn)特性的研究對(duì)于進(jìn)一步澄清循環(huán)流的氣固流動(dòng)特性具有重要意義。然而，從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，大多數(shù)研究工作僅限于理論和數(shù)值模擬研究，缺乏基本的實(shí)驗(yàn)研究。本文利用高幀頻的高速數(shù)字?jǐn)z影和綠光脈沖激光對(duì)冷態(tài)循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流中的顆粒旋轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.對(duì)循環(huán)流化床稀相區(qū)1/4截面內(nèi)13個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行拍攝,利用Matlab、PhotoShop和ACDsee軟件對(duì)獲得的拍攝區(qū)域的圖像序列進(jìn)行優(yōu)化和直觀分析,并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得了稀相區(qū)截面顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度場(chǎng)分布,同時(shí)進(jìn)一步研究了顆粒粒徑、線速度和旋轉(zhuǎn)速度三者之間的關(guān)系,對(duì)于循環(huán)流化床氣固兩相流機(jī)理的深入研究及數(shù)值模擬具有直接的指導(dǎo)和借鑒意義.1試驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.1高速照片圖像捕獲系統(tǒng)本文的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括循環(huán)流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和高速攝影圖像捕捉系統(tǒng).循環(huán)流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由上升管、旋風(fēng)分離器、立管和回料密封裝置組成,如圖1所示.上升管高4m,正方形截面200mm×200mm.空氣經(jīng)由布風(fēng)板引入將顆粒流化后,氣體攜帶顆粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器,在分離器處氣固分離,氣體經(jīng)布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)和煙囪排入大氣,顆粒經(jīng)返料裝置送回主床形成循環(huán).考慮到濃相和過(guò)渡區(qū)的顆粒濃度太高而影響拍攝,選擇了距布風(fēng)板3.54m處的稀相區(qū)截面作為測(cè)試區(qū)域.高速攝影圖像捕捉系統(tǒng)由高速CMOS相機(jī)、激光器和計(jì)算機(jī)組成.所采用的高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)是Redlake公司生產(chǎn)的HG-100K型高速CMOS彩色相機(jī)(附加接圈),最大分辨率1504×1128,最高幀頻達(dá)100000fps.考慮到更高的幀頻對(duì)光強(qiáng)要求太高,在現(xiàn)有激光光強(qiáng)下獲得的圖像質(zhì)量較差,本文主要采用5000fps(分辨率640×480)進(jìn)行拍攝.照明部分采用GL-8綠光燈泵浦固體激光器,激光波長(zhǎng)532nm,輸出功率最大為8W.高速攝影圖像捕捉系統(tǒng)布置如圖2所示.利用激光器將片光源投射到循環(huán)流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái),在上升管內(nèi)形成一個(gè)縱向光平面.高速CMOS相機(jī)從垂直光平面的角度拍攝該平面上測(cè)試區(qū)域的顆粒圖像序列.拍攝過(guò)程中,不斷調(diào)整光圈和焦距,使拍攝的圖像清晰.1.2床料粒徑分析為了獲得清晰的拍攝顆粒圖像,實(shí)驗(yàn)的床料應(yīng)具有較好的光學(xué)特性,比如高反射率和散射率等.因此采用了純白透明的反光玻璃珠,球形度70%～80%,折射率1.5～1.6,真實(shí)密度2400～2600kg·m-3.考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)域在稀相區(qū),對(duì)全部床料和返料裝置內(nèi)床料分別進(jìn)行了粒徑分析,示于表1中.1.3光器的1/4區(qū)域上的顆粒運(yùn)動(dòng)特性為了研究顆粒旋轉(zhuǎn)在橫截面上的分布情況,對(duì)循環(huán)流化床稀相區(qū)高度為3.54m的橫截面上13個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了顆粒圖像拍攝,這13個(gè)測(cè)點(diǎn)大致均勻地分布在該截面靠近高速CMOS相機(jī)和激光器的1/4區(qū)域上(如圖3所示,表2給出了各點(diǎn)精確的坐標(biāo)值),主要基于以下兩方面的考慮:(1)理論統(tǒng)計(jì)意義上看,循環(huán)流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)在橫截面上是前后左右對(duì)稱(chēng)分布的,只要研究1/4截面就能獲得整個(gè)截面的顆粒運(yùn)動(dòng)特性;(2)研究整個(gè)橫截面實(shí)驗(yàn)上有難度,遠(yuǎn)離激光一側(cè)的區(qū)域光強(qiáng)比較弱,得到的顆粒圖像質(zhì)量較差,而遠(yuǎn)離相機(jī)一側(cè)的區(qū)域得到的顆粒圖像會(huì)因?yàn)橄鄼C(jī)平面與激光平面內(nèi)更多的顆粒干擾而變差.為了便于分析,在該橫截面上定義了參考坐標(biāo)系,相機(jī)和激光側(cè)的邊界交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),相機(jī)移動(dòng)方向(橫向)為‘x’軸,激光移動(dòng)方向?yàn)椤畒’軸.1.4顆粒轉(zhuǎn)速測(cè)量的數(shù)據(jù)處理要清楚地獲得顆粒的旋轉(zhuǎn)信息,拍攝視場(chǎng)不能太大.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)前調(diào)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)視場(chǎng)范圍(橫向)≤15mm時(shí)就可以基本滿足分析要求.在實(shí)驗(yàn)中采用6.7mm的視場(chǎng)范圍,此時(shí)大部分聚焦顆粒的細(xì)節(jié)都能夠被觀察到.為保持各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的視場(chǎng)范圍不變,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前用一標(biāo)尺進(jìn)行視場(chǎng)范圍的校準(zhǔn)(調(diào)整對(duì)焦環(huán)使標(biāo)尺清晰成像,視場(chǎng)范圍顯示為6.7mm),在對(duì)各測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行拍攝時(shí)僅調(diào)整物距使測(cè)試區(qū)域聚焦.仔細(xì)觀察顆粒圖像發(fā)現(xiàn),有一部分顆粒呈現(xiàn)出較明顯的形狀不規(guī)則、表面固定亮斑或圖案,這成為判別顆粒旋轉(zhuǎn)的主要依據(jù).考察連續(xù)兩幅圖像中某個(gè)有上述特性的顆粒,對(duì)該顆粒某一局部特征(不規(guī)則凸起、亮斑等)進(jìn)行跟蹤,利用圖像軟件量取特征點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度θ,再根據(jù)拍攝頻率f,就得到了該顆粒的轉(zhuǎn)速n=θf(wàn)2π(r?s?1)n=θf(wàn)2π(r?s-1).采用單一的拍攝頻率會(huì)出現(xiàn)誤判斷的情形,舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),測(cè)得某一顆粒在連續(xù)兩幅圖像間隔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度θ(0≤θ≤π),那么實(shí)際顆粒旋轉(zhuǎn)的角度有可能是±2π+θ,±4π+θ,甚至更一般的2πn+θ(n∈Z).采用雙幀頻的拍攝方法就可以消除誤判斷,因?yàn)椴煌念w粒旋轉(zhuǎn)速度在不同的幀頻下表現(xiàn)出的觀察轉(zhuǎn)速相等的概率很小.實(shí)驗(yàn)中采用了3000fps和5000fps兩種拍攝幀頻,理論分析表明,當(dāng)n不是5的整數(shù)倍時(shí),雙幀頻能夠作為一個(gè)判據(jù)驗(yàn)證、消除誤判斷,n為5的整數(shù)倍時(shí),顆粒的轉(zhuǎn)速超過(guò)了10000r·s-1,據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看,可能性不大.獲取顆粒轉(zhuǎn)速理論上可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別,事實(shí)上卻很難.一個(gè)突出的問(wèn)題是計(jì)算機(jī)如何從大量顆粒中尋找少數(shù)有特征的顆粒,這也是今后值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容.作為初步研究,采用人工直接判別法.由于拍攝頻率相對(duì)較高,另外拍攝視場(chǎng)范圍內(nèi)顆粒數(shù)一般不超過(guò)10個(gè),肉眼很容易跟蹤圖像序列中同一顆粒的軌跡.利用Matlab軟件將拍攝到的圖像序列進(jìn)行優(yōu)化(圖像質(zhì)量較好可略去此步),然后通過(guò)ACDSee看圖軟件進(jìn)行人工篩選,最后這批有用的圖像通過(guò)PhotoShop軟件讀取后進(jìn)行測(cè)量分析,獲取顆粒的運(yùn)動(dòng)參數(shù).PhotoShop軟件功能強(qiáng)大,能同時(shí)獲取顆粒的象素坐標(biāo)、粒徑以及旋轉(zhuǎn)角度.旋轉(zhuǎn)角度量取相對(duì)比較麻煩,首先讀取兩幅一定時(shí)間間隔的圖像,進(jìn)行混合疊加,然后利用直線工具分別畫(huà)出該顆粒兩幅圖像中的特征線(比如特征點(diǎn)與顆粒中心的連線),最后用軟件中鋼筆工具量取角度.獲取顆粒運(yùn)動(dòng)速度時(shí),在一定時(shí)間間隔的兩幅圖中讀取該顆粒的中心象素坐標(biāo),計(jì)算兩點(diǎn)的象素距離,根據(jù)標(biāo)尺轉(zhuǎn)換成實(shí)際距離,再除以時(shí)間間隔就得到了顆粒的運(yùn)動(dòng)速度;對(duì)于粒徑,利用直線工具直接量取(不規(guī)則顆粒做相應(yīng)修正).2顆粒流率變化所有測(cè)試點(diǎn)的拍攝在一個(gè)固定的循環(huán)流化床工況下進(jìn)行,床料靜止高度H=400mm,操作氣速Vg=5.0m·s-1,固體質(zhì)量循環(huán)流率Gs=1.5kg·m-2·s-1,顆粒平均粒徑dp=0.5mm.為了獲得盡可能多的顆粒信息用于統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)按一定的時(shí)間間隔拍攝5組,每組約7000幅顆粒圖像,總共拍攝了大約350000幅圖像.對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)捕捉約100個(gè)不同的顆粒進(jìn)行分析.為了使選取的顆粒具有代表性,在進(jìn)行人工判別時(shí)盡量寬范圍地選取顆粒(粒徑、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)速度),同時(shí)安排兩人進(jìn)行判別以減小人為誤差.2.1顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度4/4截面分布圖循環(huán)流化床氣固兩相流中固相顆粒普遍存在旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,顆粒轉(zhuǎn)速最高可達(dá)2000r·s-1,平均轉(zhuǎn)速300r·s-1.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均就得到了循環(huán)流化床內(nèi)顆粒平均轉(zhuǎn)速在橫截面上的分布情況,如圖4所示.圖4(a)示出了不同y處顆粒測(cè)試點(diǎn)顆粒平均轉(zhuǎn)速沿x軸的變化情況,從圖中可以發(fā)現(xiàn),顆粒平均轉(zhuǎn)速隨x值的增加呈下降趨勢(shì)(y=5mm靠近邊壁除外),并且當(dāng)y逐漸變大(顆粒逐漸遠(yuǎn)離邊壁)時(shí),顆粒平均轉(zhuǎn)速的下降幅度也逐漸增加,到y(tǒng)=80mm處,下降幅度已經(jīng)達(dá)到了200r·s-1.可以預(yù)測(cè),在循環(huán)流化床橫截面的中心,顆粒平均轉(zhuǎn)速達(dá)到最小值,而邊壁區(qū)始終保持了較高的顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度.不過(guò)在邊壁區(qū)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的分布規(guī)律(y=5mm處,隨著x增大顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度有上升趨勢(shì),但是x=3mm處卻忽高忽低).對(duì)13個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維插值擬合后繪制了顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度1/4截面分布圖,即圖4(b).該圖更直觀地反映了顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度的變化趨勢(shì),同時(shí)發(fā)現(xiàn)不僅循環(huán)流化床邊壁區(qū)保持了較高的顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度,在邊角較大區(qū)域內(nèi)也保持了較高顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度.以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果在理論上也是可以解釋的:有研究表明,如果流場(chǎng)中有速度梯度存在,使沖刷顆粒的力量不均勻,顆粒將受到一個(gè)剪切轉(zhuǎn)矩的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn),速度梯度越大,則顆粒的旋轉(zhuǎn)速度將越大.循環(huán)流化床中氣固兩相流是一個(gè)典型環(huán)核流動(dòng)現(xiàn)象,流場(chǎng)中特別是離邊壁較近的區(qū)域有速度梯度存在,這樣邊壁區(qū)的顆粒受到剪切流作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的概率大大提高,而中心區(qū)域的顆粒受到比較均勻的向上沖刷力整體向上流動(dòng),顆粒平均旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)較低.實(shí)驗(yàn)結(jié)果從一定意義上說(shuō)明了在循環(huán)流化床氣固兩相流中氣流剪切力是影響顆粒旋轉(zhuǎn)的因素之一.另外,循環(huán)流化床內(nèi)顆粒與顆粒、顆粒與壁面的碰撞也是引起顆粒旋轉(zhuǎn)的重要原因,床內(nèi)邊壁區(qū)顆粒碰撞比中心區(qū)要?jiǎng)×?再加上顆粒與壁面碰撞,使得該區(qū)總體顆粒轉(zhuǎn)速高于中心區(qū).2.2顆粒粒徑的變化前面講到,循環(huán)流化床稀相區(qū)截面不同區(qū)域流動(dòng)情況差異是造成顆粒旋轉(zhuǎn)分布不均的主要原因之一,那么在同一區(qū)域內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)也會(huì)受到顆粒粒徑和速度的影響.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粒徑較大的顆粒旋轉(zhuǎn)速度有比較高的,也有比較低的,小顆粒的旋轉(zhuǎn)速度也有類(lèi)似的情況,這也從一個(gè)側(cè)面反映了循環(huán)流化床氣固兩相流中顆粒的湍動(dòng)、返混以及運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性.但是從大量顆粒統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來(lái)看,大顆粒的平均旋轉(zhuǎn)速度普遍比小顆粒低.圖5分別繪出了截面邊壁和截面中心區(qū)域顆粒轉(zhuǎn)速和顆粒粒徑的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,隨著顆粒粒徑的增加,顆粒的旋轉(zhuǎn)速度有下降的趨勢(shì),但是無(wú)法獲得準(zhǔn)確的關(guān)系式.這一結(jié)果可以比較簡(jiǎn)單地解釋如下,顆粒懸浮在具有一定速度梯度流場(chǎng)中時(shí),因受到不平衡流體力的作用,可引起轉(zhuǎn)動(dòng).由動(dòng)量矩定理,流體作用于顆粒的沖量矩等于顆粒動(dòng)量矩的變化,有∫Mdt=I(ω2?ω1)∫Μdt=Ι(ω2-ω1)式中M為氣相作用于顆粒的總力矩;I=25mR2Ι=25mR2為顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω1、ω2分別為作用前后的顆粒旋轉(zhuǎn)角速度.方程左邊與顆粒半徑R3成正比,右邊與顆粒半徑R5成正比,在相同的流場(chǎng)條件下,小顆粒受到流場(chǎng)作用力容易得到較高的轉(zhuǎn)速,這使得在流體力的作用下粒徑大的顆粒旋轉(zhuǎn)速度小于粒徑小的顆粒.圖6(a)、(b)分別示出了同一粒徑檔內(nèi)顆粒軸向和徑向分速度與顆粒轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系.對(duì)于軸向分速度,圖6(a)表明顆粒轉(zhuǎn)速隨著軸向分速度增加沒(méi)有明顯的變化,認(rèn)為兩者關(guān)系不大.對(duì)于徑向分速度,從圖6(b)來(lái)看,與顆粒的轉(zhuǎn)速之間有一些不明朗的關(guān)系:隨著顆粒徑向速度的增加,顆粒的旋轉(zhuǎn)速度有增加的趨勢(shì).事實(shí)上顆粒的徑向速度增加,顆粒碰撞壁面或者碰撞其他顆粒的概率就會(huì)增加,同時(shí)顆粒經(jīng)歷的流場(chǎng)相對(duì)比較復(fù)雜,從而增大了顆粒提高旋轉(zhuǎn)速度的概率.2.3旋轉(zhuǎn)速度隨顆粒形狀的變化實(shí)驗(yàn)時(shí)所采用的顆粒大部分為球形,由于生產(chǎn)工藝問(wèn)題,存在一部分形狀不規(guī)則的顆粒.在相同的粒徑檔內(nèi),把球形顆粒和不規(guī)則顆粒的統(tǒng)計(jì)平均旋轉(zhuǎn)速度作一比較,發(fā)現(xiàn)后者的旋轉(zhuǎn)速度明顯高于前者,如圖7所示.因?yàn)轭w粒形狀不規(guī)則,使得各點(diǎn)所受的形狀阻力和摩擦阻力不一樣.當(dāng)顆粒不規(guī)則時(shí),即使所處流場(chǎng)沒(méi)有速度梯度,顆粒也會(huì)旋轉(zhuǎn),這是由于顆粒各點(diǎn)所受到的形狀阻力和摩擦阻力不一樣,不能相抵,故形成了轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,使顆粒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn).在流化床中,實(shí)際顆粒的形狀通常并不規(guī)則,流化床中顆粒的轉(zhuǎn)速應(yīng)該高于實(shí)驗(yàn)中所測(cè)轉(zhuǎn)速.3旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象突出,轉(zhuǎn)速分布較