基于PIV 法的管内插螺旋液固两相流流场特征

彭德其, 张凯博, 俞天兰, 吴淑英, 王志奇, 乔 硕, 禹卫东

(1. 湘潭大学 机械工程学院, 湖南 湘潭 411105; 2. 湖南工业大学 机械工程学院, 湖南 株洲 412007;3. 湖南中兴设备安装工程有限责任公司, 湖南 株洲 412000)

1 前 言

强化传热技术[1-3]是提高能源利用效率的有效途径，一直是国内外研究的热点，其中螺旋[4-7]和液固两相流[8-10]作为2 种不同方式的强化传热技术，已经得到广泛研究与应用。螺旋通过引导流体呈螺旋流运动以及沿螺旋的二次流动，破坏边界层的发展达到强化传热目的。Hong[11]、Keklikcioglu[12]、Gunes[13]等通过实验分别研究了不同长径比螺旋、三角形截面螺旋以及与管壁分开放置螺旋对换热性能的影响，其综合性能评价值(PEC)均大于1。液固两相流通过颗粒对壁面的碰撞作用，扰动边界层和有效清除壁面污垢，达到强化传热目的，Tan[10]、Kang[14]与Ehsani[15]等研究颗粒种类和物性参数在液固流化床中对换热性能的影响，发现硅砂颗粒流化床比板式换热器热性能提高14.9%。内插螺旋液固两相流复合技术通过加剧螺旋流运动强度以及颗粒对壁面的碰撞，达到强化传热的目的，段培清等[16]在液固两相流基础上加入螺旋，其热阻降低20%～50%，彭德其等[17-18]分别采用数值模拟与实验对螺旋与液固两相流复合技术中螺旋参数及颗粒特征对换热性能影响进行了研究，其传热系数比螺旋流提高15%～20%。综上所述，前人对内插螺旋、液固两相流技术进行了一系列的换热实验及数值模拟研究，有效地证明内插螺旋、液固两相流均有利于强化传热。但其水力和热工性能取决于流体在管内流动行为，因此管内流动特征研究对揭示传热机理具有重要意义。

粒子图像测速技术(particle image velocimetry，PIV)作为非接触式流场可视化测量技术，已广泛应用于管内插物和液固两相流等各种流动模式研究[19-20]。García 等[21]运用PIV 和氢气泡可视化技术分析内插螺旋管内流动机制由层流变化为湍流的变化情况。He 等[22-23]通过PIV 实验分析内插“洁能芯”转子横截面速度分布以及流场的运动特征。车翠翠等[24]利用PIV 技术得到圆管内置梯形迎流、顺流翼片对后方流场的扰动特征情况。Liu 等[25]通过数值模拟与PIV 技术研究了管内插入一根多锥条对流场的影响。王丽燕等[26]使用PIV 分析颗粒对流场的影响，以及粒径和浓度与颗粒速度的联系。Sun 等[27]通过PIV 技术测量湍流状态下光管和液固两相流边界层的变化特征。Shokri 等[28]通过PIV/PTV 技术研究高雷诺数下颗粒及流体的速度分布。Ahmadi 等[29]运用PIV/PTV 技术分析了颗粒浓度、颗粒尺寸以及雷诺数对湍流流动的变化情况。综上所述，尚未发现学者运用PIV 技术对内插螺旋液固两相流的流动特征进行研究。

本文将在复合技术PEC 指数比光管高的基础上开展研究[17]，借助PIV 技术对光管(1#)、液固两相流(2#)、管内插螺旋(3#)、管内插螺旋液固两相流(4#)条件下立式上行管内流动特征进行研究，通过对比分析不同工况下涡量场及速度场分布规律，从流场角度对管内插螺旋液固两相流复合技术强化传热机理开展研究。

2 实验部分

2.1 实验装置

实验装置如图1 所示，主要由PIV 测试系统、循环水系统、立式实验测试段组成。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental device diagram

图2 测试段实物图Fig.2 Test section

为准确捕捉管内充分发展段的流动情况，测试段实物如图2 所示，采用长度L=1 000 mm、内径D=32 mm 有机玻璃管，测量部位位于相对进口位置距离90D 处[28]，同时为最小化管壁的曲率引起图像失真，在圆管外安装一矩形有机玻璃水槽。在水箱中加入粒子与水，待其混合均匀后由离心泵输送至管段中，流体依次经过调节阀、电磁流量计、测试段等，最后再回到水箱。实验采用密度为1 200 kg·m-3的Ø4 mm有机玻璃珠作为固态颗粒，其初始流态化速度为0.8 m·s-1。螺旋选用参考文献[18]中最优换热性能参数(丝径1.5 mm、螺距20 mm、外径30 mm)，且螺旋在流速为1 m·s-1时往复运动，综合考虑粒子流态化速度以及螺旋往复运动所需流速，选取雷诺数Re=26 400、28 600、30 800、33 000 工况进行研究。

2.2 PIV 实验原理

2.3 实验验证

为验证测量的准确性，图4 为该实验仪器下光管的平均速度与文献[30]的对比情况。纵轴表示不同半径轴线上的平均速度u 与管中心轴线平均速度Um的比值，横轴表示不同半径位置的轴线与中心轴的距离。由图可知，在靠近管中心区域(经x/r=0～0.4)内，本文与文献具有相同的分布趋势，分布差异主要集中在近壁面区域(x/r=0.4～0.9)内，实验误差6.2%～11.3%，可能是由于激光散射、区域内示踪粒子没有均匀分布等实验误差所致的差异，但误差在可接受范围之内。因此，本文实验数据认为具有可靠性。

2.4 参数定义

纵截面内的涡量xyΩ 定义为

图3 PIV 测速原理图Fig.3 Principle of PIV velocity measurement

图4 速度对比图Fig.4 Velocity comparison

式中：U 和V 分别为轴向速度和径向速度，m·s-1。

二维湍动能K[23]定义为

3 实验结果与讨论

当Re=26 400、28 600、30 800、33 000 时，通过PIV 测量得到光管(1#)、液固两相流(2#)、管内插螺旋(3#)、内插螺旋液固两相流(4#)的涡量场、速度场信息，并量化分析其流动特征。

3.1 涡量场

涡量是有旋运动与无旋运动的判定标准，涡量越大，流场的扰动程度越剧烈。图5 为Re=26 400 时的4 种工况下涡量分布图。工况1#中涡量主要集中在管壁处，其最大值为180；工况2#中颗粒跟随流体在管内无规则运动过程中与壁面发生碰撞，扰动流场，增大了壁面处的涡量，同时颗粒与颗粒之间相互碰撞对整个区域内流体都有一定的扰动，其最大值为198；工况3#中管内流体运动由垂直向上变化为随螺旋引导作用呈螺旋流向上运动，加剧了对流场的扰动，其最大值为220，且最大涡量位置由壁面转移到螺旋与壁面接触处；工况4#中螺旋引导颗粒以及流体运动中颗粒与螺旋的相互作用力加剧了螺旋的振动频率，使得管内螺旋流动更加剧烈。同时由于螺旋的往复运动，其涡量在壁面与螺旋丝径接触前后处均有分布，最大值为250。

图5 Re=26 400 涡量分布Fig.5 Vorticity distribution at Re=26 400

进一步量化分析4 种工况下的沿管轴向的纵截面平均涡量Ω 分布。由图6 可知，雷诺数与总平均涡量均呈正相关，随着雷诺数增加，1#、2#涡量呈稳定递增趋势，3#、4#涡量先递增后趋于稳定。3#、4#在Re=26 400～30 800 时螺旋由静止逐渐开始往复运动，Re=30 800～33 000 螺旋往复运动逐渐稳定，故涡量分布呈先增后稳的趋势；同时4#中颗粒跟随螺旋呈螺旋流运动时，颗粒与螺旋的碰撞作用使得螺旋振动频率要大于3#。在相同雷诺数下，相比于1#、2#涡量提升4.9%～11.9%、3#涡量提升14.6%～26.4%，4#涡量提升21.4%～35.8%，4#的总平均涡量最大，证明内插螺旋液固两相流能够有效改变流体流动特性。

图6 平均涡量随雷诺数变化关系Fig.6 Variation of average vorticity with the Reynolds number

3.2 速度场

3.2.1 径向速度

图7 不同雷诺数下径向速度分布Fig.7 Radial velocity distribution in different Reynolds numbers

径向速度是促进主流区流体与管壁附近区域流体相互交换和混合产生涡量的主要动力，图7 为管中心截面上不同雷诺数下4 种工况的径向速度分布。1#中流体主要垂直向上运动，其径向速度非常小，最大值为0.001 m·s-1；2#中由于颗粒与壁面、颗粒与颗粒的相互碰撞，一定程度上增加了径向流体之间交换，且颗粒分布规律随机性大，使径向速度呈不规则波动分布，最大径向速度为0.016 m·s-1；3#中液体受螺旋导流作用后呈螺旋流旋转向上运动，在离心力作用下流向壁面，继续与壁面接触的流体会受到壁面碰撞后回流至中心区域，并形成漩涡且不断脱落，因此流体径向速度呈正负波动分布，其最大值为0.061 m·s-1；4#中颗粒与螺旋之间相互碰撞进一步加快了螺旋的振动频率，同时颗粒与管壁不断往返碰撞提高了流体径向交换程度，液体径向速度最大值为0.072 m·s-1。

图8 平均径向速度随雷诺数变化关系Fig.8 Relationship between the average radial velocity and the Reynolds number

图9 径向脉动速度随雷诺数变化关系Fig.9 Relationship between the radial fluctuation speed and the Reynolds number

为了进一步量化流体在径向上的交互程度，采用径向速度大小沿径向进行积分得到平均径向速度V，如图8 所示，相比于1#，2#平均径向速度提升1.75～5.47 倍，3#平均径向速度提升 4.47～16.82 倍，4#平均径向速度提升5.51～18.8 倍。径向速度越大，产生的二次流越强烈，主流区流体与管壁附近区域流体相互交换和混合更加充分，越有利于形成涡流实现传热。

为进一步验证工况4#的优越性，计算出4 组雷诺数下4 组工况的均方根径向脉动速度VRMS(均方根脉动速度RMS 代表着速度波动的绝对大小)。由图9 可知，随着雷诺数的增大，均方根径向脉动速度逐渐增大；相比于1#，2#均方根径向脉动速度提升15.2～36.7 倍、3#均方根径向脉动速度提升30.4～566.9 倍，4#均方根径向脉动速度提升51.2～609.5 倍。

3.2.2 轴向速度

图10 不同雷诺数下轴向速度分布Fig.10 Axial velocity distribution at different Reynolds numbers

流体边界层的厚度及热阻依赖于轴向速度的分布规律，更大的速度梯度有利于减小流动边界层。图10为不同雷诺数下4 种工况的轴向速度分布，均呈n 型分布，轴向速度由壁面区域(x/r=±1)向中心线( x/r =0)逐渐递增，中心区域具有最大轴向速度。其中2#中颗粒在跟随流体运动时，颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间的相互碰撞，加大了对流场的扰动，使得整体的轴向速度均大于1#。3#中由于螺旋靠近壁面阻碍了流体流动，加大壁面区域的阻力，使得流体向阻力相对较小的中心区域流动，故在中心流域轴向速度大于工况1#，而壁面区域速度小于1#。4#中颗粒跟随流体受螺旋导流作用后呈螺旋流旋转向上运动，在离心力作用下向壁面运动，因此壁面处容易堆积一定数量颗粒，阻碍流体的运动，使得4#在近壁面区域流动阻力大于3#，中心流域流动阻力小于3#。总之，2#、3#、4#速度梯度均大于1#。

图11 轴向脉动速度随雷诺数变化关系Fig.11 Relationship between the axial fluctuation speed and the Reynolds number

为进一步量化分析4 种工况的轴向速度，计算出4 组雷诺数下4 组工况的均方根轴向脉动速度。由图11 可知，随着雷诺数增大，实验观察到3#、4#中螺旋由静止逐渐开始往复运动，一直到螺旋往复运动逐渐稳定；均方根轴向脉动速度呈先增后减趋势，1#、2#随着流体以及跟随流体的颗粒运动更加剧烈，增长率呈一直上升趋势。相比于工况1#，2#的均方根轴向速度波动提升11.2%～30.8%，3#的均方根轴向速度波动提升28.6%～47.6%，4#的均方根轴向速度波动提升41.5%～60.6%。脉动速度越大，流体运动越剧烈，对流动边界层的削弱起到促进作用。

3.3 湍动能

湍动能是衡量流体湍动程度的重要指标。图12 为式(2)计算出不同雷诺数下4 种工况的湍动能分布，在近壁面处具有最大湍动能，主要是因为在近壁面处流体速度有一个大幅度的提升，2#中颗粒与壁面的碰撞的过程中破坏了流动边界层，加剧了近壁面区域的扰动。3#、4#流体呈螺旋流时，在离心力的作用下改变了流体的运动路径，使得流体不断向壁面运动，同时流体与壁面接触后受到壁面的碰撞反弹作用后回流至中心区域，如此往复运动，对流体造成持续不断的扰动，使得近壁面区域湍动能有着显著的提高。4#在3#的基础上，颗粒也跟随流体由中心向壁面运动，然后又从壁面向中心往复运动，加大了流体扰动程度。在相同雷诺数下，2#、3#、4#湍动能均大于1#，并随着雷诺数增加，湍动能也增加。

图12 不同雷诺数下湍动能分布Fig.12 Turbulent energy distribution at different Reynolds numbers

为量化分析4 种工况下的湍动能分布，采用湍动能大小沿径向进行积分得到平均湍动能，如图13 所示，平均湍动能与雷诺数呈正相关，在相同雷诺数下，相比于1#，2#平均湍动能提升19.4%～23.1%、3#平均湍动能提升129.1%～163.9%，4#平均湍动能提升162.7%～254.6%，说明内插螺旋液固两相流加大了湍流强度，扰动程度变得越来越明显，减薄了流动边界层，可以促进强化传热效果。

图13 平均湍动能随雷诺数变化关系Fig.13 Relationship between the average turbulent energy and the Reynolds number

4 结 论

通过PIV 技术对内插螺旋液固两相流、液固两相流、内插螺旋及光管进行对比实验研究，得到管内流体的涡量场及速度场分布规律：

(1) 内插螺旋液固两相流在液固两相流以及光管的基础上使流体变为螺旋流流动，涡量分布由管壁变为壁面与螺旋丝径接触处；在内插螺旋的基础上加剧了螺旋流强度，涡量分布扩大到螺旋丝径前后区域。总平均涡量为光管的1.21～1.36 倍。

(2) 内插螺旋液固两相流拥有最大径向速度，平均径向速度为光管的6.5～19.8 倍，径向速度波动为光管的51～609 倍。且内插螺旋液固两相流比内插螺旋具有更大的轴向速度梯度，轴向速度波动比光管增大41.5%～60.6%。

(3) 内插螺旋液固两相流在近壁面区域湍动能有显著提高，湍动能比光管增大162.7%～254.6%，湍动能的提升可以促进边界层流体交换，从而提高换热效果。