水力旋流器内部流场PIV测试与分析

　　0 引言

　　水力旋流器是一种应用非常广泛的分离设备^[1]，可将不同密度的两相或多相混合物在流体旋转离心作用下进行分离。水力旋流器中的运动流体会同时产生顺螺旋线向底流口流动的外旋流和沿螺旋线向上流向溢流管的内旋流。在柱坐标系中，水力旋流器内流场的三维速度分别为：切向速度、轴向速度与径向速度。而切向速度在旋流器进行分离作用时具有最主要的作用^[2]，因为其数值要大于轴向向速度和径向速度，更重要的是切向速度产生的离心力是旋流器内混合物分离的主要原因。本文将利用 PIV 测试技术分析旋流器内部流场的三维速度沿直径方向的分布规律。

　　1 PIV 测试实验

　　1.1 试验装置及流程 实验样机采用有机玻璃制成，各段的壁厚保持一致，结构上分为五个部分：入口(进料口)、柱段、锥段、溢流管(溢流口)和底流管(底流口)。水力旋流器主要结构参数为：旋流器直径D_c=75mm;进料管尺寸 a×b=25mm×12.5mm;柱段长度 L₁=120mm;锥段长度L₂=179mm;底流管长度 L₃=50mm;溢流管直径 D_o=24mm;溢流管插入深度 L₄=50mm;底流管直径 d_u=12mm;锥度 θ=20°。

　　1.2 实验方法及方案 将循环水箱中注入适量清水，加入一定量的玻璃微珠(直径大约为 5μm，密度跟水相当)作为示踪粒子，开启搅拌器使固体颗粒和水混合均匀。检查与实验旋流器相关的管道阀门闭合情况。启动水泵，把进口压力作为调节参数，其他参数不变。通过调节进口阀门控制进口压力在一定的范围内，每隔一定压力对溢流流量和底流流量进行测量，并对旋流器内流场进行PIV双曝光拍摄^[3]。测量时，为了避免旋流器柱、锥段的圆形外表面对片光产生散射、折射影响测试结果，在旋流器模型外设置一长方形光学补偿盒，其间充满与旋流器内液相折射率相同的液体，进行光路补偿，以减小测试误差。以光学补偿盒的外表面作为基准调节片光的平行度，片光厚度控制在1mm以内，双曝光时间间隔设为0.1ms，分别对旋流器中轴面和偏离中轴面20mm的截面进行测量，保持所拍到的图像并进行数据处理[4]，分别得出流场速度分布图。

　　2 实验数据处理与分析

　　2.1 实验图像采集 图 3 是在水力旋流器入口压力为 0.02Mpa，进口流量为1.998m³/h 的运行工况下，利用 CCD 相机拍摄到的水力旋流器内部流场中示踪粒子的分布图像。

　　2.2 PIV 图像处理 因为本实验采用 PIV 测速技术[5]，通过两次曝光采集到的示踪粒子的位移计算出粒子的速度，即该点处流体的速度，所以先对相邻两幅图像进行处理得到粒子运动速度矢量分布，然后对所拍100 幅图像进行批处理并对处理结果进行平均化处理，并利用Tecplot 软件对上述图像作进一步处理如图 4，将激光片光偏离中轴面20mm并对此照射截面进行CCD拍摄，并用同样的方法对所拍到的图像进行处理，分析得到的结果如图5。