水平渐扩管后气固两相流流动特性的试验研究

　　气固两相流在工业方面有广泛的应用,例如固体燃料的流动和燃烧、煤粉的制备和输送、旋风分离器中的气固分离及流化床中的高速流化等。由于流场中涉及到气体和固体颗粒两相运动,并且两相间的相互作用相当复杂,因此要同步测量气固流动相当困难。目前,用于气固两相流试验研究的测量技术有激光多普勒测速仪(LDV)及相位多普勒粒子分析仪(PD2PA)[1~3],但这2种方法只能进行单点测量。近年来发展起来的粒子图像测速仪(PIV),可以用来测量整个瞬时流场(传统PIV技术多用于单相流动的测量)。对用PIV测量气固两相流的可行性国内外学者进行了一些探索,并取得了初步进展[4,5]。本文用PIV对气固两相流流经水平渐扩管道后的流动工况进行测量,获得了气相与固相的速度场,并对其流动特性进行了分析。

　　1　试验系统和方法

　　试验装置如图1所示。试验段由长65 mm、扩张角为60°的渐扩管和长1 200 mm、宽100 mm、高50mm的透明有机玻璃制成的水平直方管组成(图2)。当储气罐充气到一定压力后,同时打开主流道和支流道上的阀门。支流道上的气体通过粒子撒播器,将气体示踪粒子吹出,并与主气流会合后通过渐扩管进入水平直管。示踪粒子用于跟踪气体的运动。主流道和支流道上分别安装了减压阀和节流阀。在管道的入口处装有加料器,固体颗粒通过短管引入直流道,与主气流混合后,形成均匀的气固两相悬浮流进入管道,再经旋风除尘器将粒子收集,纯净气体排入大气。PIV测试段位于渐扩管后,测试面中心离管道进口处约350mm,测试面大小为50 mm×50 mm。试验用PIV测速系统的硬件采用美国TSI公司的二维系统。激光器产生的点光源经一系列光学器件产生片光后照亮整个测试面,通过该系统采集得到气固两相流流动状况的图像对。图像对的采集频率为15对/s,每对图像中的2帧图像曝光的时间间隔为10μs。

　　试验选用SiO2为气体的示踪粒子,直径约0.005mm~0.01 mm。用4种粒径的玻璃珠作为固体颗粒,它们的平均粒径分别为0.15 mm、0.25 mm、0.5 mm、1 mm,密度约为3.8×103kg/m3。固体颗粒载荷率为固定值,约为2。试验时进口气体流量分别为82 m3/h、70 m3/h和60 m3/h。固相颗粒加入位置有2个:一是料斗中心距管道入口50 mm,二是料斗中心距管道入口170 mm(图2(a))。

　　2　试验结果与讨论

　　图3为PIV系统采集到的1对气固两相流试验图像。可以看出,图像中存在大小不同的2种颗粒,大颗粒为固相颗粒,小颗粒即气相的示踪粒子。使用两相流粒子图像测速软件将图像中的气体示踪粒子与固相颗粒进行分离,由于示踪粒子的浓度较高,对于示踪粒子图像采用基于快速傅立叶变换的互相关算法提取气体的速度分布。对于浓度较低的颗粒相,则采用单个颗粒跟踪的方法得到颗粒的速度分布[6]。