蝶閥后雙彎管流場(chǎng)的影響蝶閥后雙彎管流場(chǎng)的影響 2014/06/13 機(jī)電設(shè)備2014年第二期1PIV試驗(yàn)驗(yàn)證1.1試驗(yàn)設(shè)備為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果，本文首先進(jìn)行了流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，具體是通過高分辨率粒子圖像速度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)（ParticaleImageVelocimetry,PIV）來完成的，其可獲得閥門角度為30時(shí)中截面閥板附近的速度云圖。該測(cè)量系統(tǒng)由高分辨率相機(jī)、激光器、同步控制機(jī)構(gòu)、圖像采集系統(tǒng)以及PIV圖像分析軟件組成?；驹砣缦拢杭す馄骱拖鄼C(jī)通過同步器控制，采集的數(shù)字圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)硬盤中，經(jīng)過MicroVec粒子圖像分析軟件處理，得到瞬態(tài)流場(chǎng)整場(chǎng)速度分布。實(shí)驗(yàn)中使用的激光發(fā)射裝置為英國Litro公司Nano系列YANG式脈沖激光器，能量135mJ/pluse，激光波長(zhǎng)532nm，發(fā)射激光的脈沖寬度8ns；高分辨率相機(jī)為為美國IMPERX公司的高分辨率，黑白工業(yè)相機(jī)，型號(hào)為ICL-B4820M-KF000，分辨率可達(dá)48723248；同步控制器為MicroPulse725可編程同步時(shí)序控制器，集成有時(shí)間信號(hào)發(fā)生器，具有高精度獨(dú)立的7通道延時(shí)時(shí)間控制器，延時(shí)精度為0.25ns；示蹤粒子為癸二酸二辛酯（DEHS）；圖像采集和計(jì)算采用北京立方天地MicroVecV3.1.1軟件完成。為了達(dá)到最好的拍攝效果以剔除背景噪聲，在成像前用丙烯黑色顏料對(duì)管道和蝶閥背面進(jìn)行涂黑處理，并在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中嚴(yán)禁除激光以外的光線干擾。另外在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，通過matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，以進(jìn)一步剔除掉背景噪聲。1.2結(jié)果對(duì)比分析PIV技術(shù)獲得的閥門角度為30時(shí)的速度云圖如圖3中(a)圖所示。從圖可知閥板尾流區(qū)形成較大分離區(qū)（低速區(qū)），這是流體在閥板背流面流動(dòng)擴(kuò)張及在彎管向心運(yùn)動(dòng)造成的逆壓力梯度引起的。此時(shí)，流體經(jīng)過閥板迎流面與管道外側(cè)間喉部（最小通流面）后，由于喉部面積較小而速度較高，因而表現(xiàn)為高速（紅色）流體區(qū)域；但由于彎管外側(cè)對(duì)流動(dòng)阻礙，此處高速流體與尾流區(qū)低速流體的混合及流體在彎管中的向心運(yùn)動(dòng)等原因，該股高速（紅色）流動(dòng)區(qū)域的發(fā)展受到限制，表現(xiàn)為高速（紅色）區(qū)域面積很快消失。此時(shí)，經(jīng)過閥板背流面與管道內(nèi)側(cè)間喉部后，由于流動(dòng)空間擴(kuò)張較大及彎管內(nèi)側(cè)流體質(zhì)點(diǎn)的向心加速而形成較大的高速（紅色）區(qū)域；但進(jìn)一步的流動(dòng)擴(kuò)張作用及其與周圍低速流體的混合，此處流體速度逐漸降低。另外，由于背流面對(duì)流體向彎管外側(cè)的引導(dǎo)，彎管內(nèi)側(cè)流動(dòng)分離現(xiàn)象較為顯著。通過與數(shù)值計(jì)算結(jié)果(b)比較可知，該角度下實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算得到的速度云圖基本吻合。2數(shù)值模擬結(jié)果分析基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的閥門角度為30時(shí)中截面閥板附近的速度云圖很好地驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果，本部分將數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果做進(jìn)一步分析，以了解各工況（閥門角度為0，15及30時(shí)）中存在的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。本部分采用中截面速度矢量及云圖與五個(gè)剖面的速度矢量及云圖進(jìn)行三維流場(chǎng)分析。各剖面位置示意圖如圖4所示，其中=arctan0.2，Slice-2和Slice-4分別位于彎管垂直紙面的對(duì)稱面上，其它截面位置如圖4所示。另外，本部分借助中截面流線圖進(jìn)行閥板周圍流動(dòng)分離現(xiàn)象分析。2.1閥門角度為30工況結(jié)合流線圖與中截面速度及矢量圖可知，此時(shí)閥板背流面形成兩個(gè)流動(dòng)分離區(qū)，第一分離區(qū)(L1)較大，這是因?yàn)閬砹鞴ソ禽^大而產(chǎn)生了較強(qiáng)的逆壓力梯度；第一分離區(qū)的存在有助于引導(dǎo)流體質(zhì)點(diǎn)在背流面中央到后緣的大范圍內(nèi)緊貼背流面流動(dòng)，因而造成第二分離區(qū)(L2)較??；同時(shí)，第二分離區(qū)的減小使閥板后緣扇形圓弧區(qū)的流動(dòng)分離大大削弱。圖5為閥門角度為30中截面速度矢量及云圖與流線圖，圖6為閥門角度為30各剖面速度矢量及云圖。綜合Slice-1與圖5可知，閥板迎流面與管道外側(cè)間流體由于向彎管內(nèi)側(cè)擴(kuò)張導(dǎo)致剖面圖上部流體速度矢量向下；下部流體質(zhì)點(diǎn)以較高速向管道中間大面積擴(kuò)張導(dǎo)致速度矢量向上，且該部分流體質(zhì)點(diǎn)由于喉部通流面積較小因而速度較高，而喉部后通流面積擴(kuò)張較大，而形成面積較大的高速區(qū)，這與上部分速度云圖中的結(jié)論一致。同時(shí)，由于下部流體通流面積擴(kuò)張較大導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)速度較低、動(dòng)量較小，同上部流向相反的流團(tuán)碰撞后，會(huì)向管道兩旁流動(dòng)，因而形成一對(duì)低速漩渦（左側(cè)逆時(shí)針，右側(cè)時(shí)針），該低速流通同時(shí)與下部偏管道內(nèi)側(cè)的高速流團(tuán)發(fā)生流動(dòng)剪切，并接受高速流團(tuán)動(dòng)量和流量“補(bǔ)給”，該低速流團(tuán)也是蝶閥對(duì)流動(dòng)阻礙作用的體現(xiàn)。從Slice-2剖面圖可知，在下部低速流團(tuán)碰撞剪切以及彎管對(duì)流體二次流的作用下，Slice-1中心線具有向下的速度矢量的上部流團(tuán)消失，只存在向管道兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)，如該剖面中部?jī)蓚?cè)的紅色高速區(qū)域所示；而在上部高速流團(tuán)以及下部高速流團(tuán)的碰撞剪切下，低速流團(tuán)的漩渦核心向下運(yùn)動(dòng)并不斷縮?。煌瑫r(shí)可以看到，下側(cè)流團(tuán)的高速區(qū)域僅僅表現(xiàn)在中心線兩側(cè)周圍區(qū)域，這是slice-1剖面中低速漩渦流團(tuán)流動(dòng)剪切反作用的結(jié)果。從中截面速度矢量及云圖可知，Slice-2到Slice-3間管道內(nèi)側(cè)與閥板背流面間的高速流團(tuán)由于二次流作用向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在直管內(nèi)側(cè)由于流動(dòng)分離作用出現(xiàn)低速區(qū)域。管道內(nèi)側(cè)流動(dòng)分離造成的低速區(qū)體現(xiàn)為Slice-3剖面下方速度矢量向上的的藍(lán)色區(qū)域，而從中截面矢量及云圖中表現(xiàn)為向管道外側(cè)及后方的速度矢量；該剖面中部?jī)膳源嬖诟咚賲^(qū)域，這與Slice-2中在該區(qū)域表現(xiàn)相同，但渦團(tuán)核心位置有所下降，這是其二次流螺旋運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。而Slice-2中心線上的高速流團(tuán)（管道內(nèi)側(cè)與閥板背流面間流體）由于流動(dòng)擴(kuò)張以及碰撞管道外側(cè)的能量損失（中截面矢量及云圖也可以看出），速度降低并向剖面左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，其與剖面中部?jī)膳愿咚賲^(qū)域相混。通過Slice-4剖面圖以及中截面速度-矢量剖面可知，由于Slice-3剖面圖左右兩側(cè)的高速流團(tuán)二次流螺旋運(yùn)動(dòng)到此處與原其管道內(nèi)側(cè)流體質(zhì)點(diǎn)混合，共同在第二管道內(nèi)側(cè)向心加速，形成Slice-4中下方的高速區(qū)域；而在高速區(qū)域上方存在一對(duì)低速流團(tuán)，這是管道內(nèi)側(cè)與閥板背流面間流團(tuán)降速后二次流運(yùn)動(dòng)到此處的表現(xiàn)。通過剖面圖Slice-5可知，由于第二個(gè)彎管內(nèi)側(cè)的流動(dòng)分離，剖面下部流體質(zhì)點(diǎn)具有向上的速度矢量且大小較低；上部則是混合流體二次流作用的結(jié)果，且其速度高于下方。2.2閥門角度15工況圖7為閥門角度為15中截面速度矢量及云圖與流線圖，圖8為閥門角度為15各剖面速度矢量及云圖。閥門角度15時(shí)，綜合中截面流線圖和速度矢量及云圖可知，閥板背流面上第一分離區(qū)(L1)變小而第二分離區(qū)增大，且后者表現(xiàn)為一對(duì)逆向渦團(tuán)。第一分離區(qū)較小是由于來流攻角較小，流線型閥板對(duì)來流具有很好引導(dǎo)作用，因而產(chǎn)生較小的逆壓力梯度。第二分離區(qū)增大，則是由于第一分離區(qū)的存在以及彎管對(duì)流體質(zhì)點(diǎn)向內(nèi)側(cè)的引導(dǎo)，因而流線沿背流面運(yùn)動(dòng)至閥板中央附近即發(fā)生分離；之所以形成兩個(gè)渦團(tuán)，這是因?yàn)殚y板迎流面流體在閥板尾緣由于扇形圓弧存在導(dǎo)致流動(dòng)向內(nèi)側(cè)的擴(kuò)張，產(chǎn)生新渦團(tuán)，并與前述渦團(tuán)相互作用。由于閥板迎背流面流體流出閥板時(shí)向閥板側(cè)的擴(kuò)張，因而在剖面圖Slice-1中上部速度矢量向下而下部向上，同時(shí)中部存由于閥板流動(dòng)分離導(dǎo)致的低速區(qū)域。在該分離區(qū)的下方兩側(cè)存在一個(gè)微小渦團(tuán)，這是閥板與管道間隙（見圖1中A-A向視圖，最小處僅為1mm）通過流體的表現(xiàn)，而在閥門角度30時(shí)，由于閥板后緣造成的低速區(qū)域過大，該渦團(tuán)與其混合表現(xiàn)的不是很明顯。通過剖面圖Slice-2可知，閥板后分離區(qū)造成的藍(lán)色（低速）區(qū)域由于分離區(qū)影響變?nèi)醵鴾p小，剖面圖上方流體質(zhì)點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)則是其向管道外側(cè)離心運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，而向下運(yùn)動(dòng)則是由于管道內(nèi)側(cè)流體質(zhì)點(diǎn)向心的表現(xiàn)，而導(dǎo)致向心離心主要與該處壓力梯度及所需的向心力的大小有關(guān)；同時(shí)可知，由于管道內(nèi)側(cè)與閥板背流面間流體的擴(kuò)張，剖面下部高速區(qū)域速度降低。從中截面速度矢量及云圖可知，Slice-2到Slice-3間存在流體質(zhì)點(diǎn)在管道內(nèi)側(cè)的流動(dòng)分離，其在Slice-3中表現(xiàn)為中部低速流團(tuán)。而分離形成的藍(lán)色（低速）區(qū)域下方，則存在具有較高速度（大約12m/s）的流體質(zhì)點(diǎn)，其是流體質(zhì)點(diǎn)二次流的結(jié)果。同時(shí)由于分離區(qū)的擠壓，Slice-2上部的低速區(qū)域加速并在Slice-3中表現(xiàn)為速度較高的向上流團(tuán)。而分離渦團(tuán)兩旁則的高速流圖則是Slice-2中下部高速區(qū)域二次流運(yùn)動(dòng)到此處的表現(xiàn)。在剖面圖Slice-4中，由于管道內(nèi)側(cè)向心作用而導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)加速，中間偏上部流體質(zhì)點(diǎn)的壓力梯度大于所需向心力，流體質(zhì)點(diǎn)向管道內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)并減速；上部則相反，速度矢量方向向上；可見由于彎管的存在，不同流體質(zhì)點(diǎn)的速度，所處位置曲率以及壓力梯度的不同，導(dǎo)致徑向壓力梯度和所需向心力的不同，繼而引起不同的流動(dòng)形態(tài)。剖面圖Slice-4中的流體質(zhì)點(diǎn)在剖面圖Slice-5中發(fā)展并表現(xiàn)為兩對(duì)渦團(tuán)，這是二次流以及流動(dòng)碰撞剪切的結(jié)果，上部速度弱微的提高也是下方分離區(qū)流體質(zhì)點(diǎn)擠壓的表現(xiàn)。2.3閥門角度0工況圖9為閥門角度為0中截面速度矢量及云圖與流線圖，圖10為閥門角度為0下各剖面矢量圖。閥門角度為0時(shí)，右側(cè)閥板與管道內(nèi)側(cè)間存在一個(gè)明顯的分離區(qū)(L2)，且該分離區(qū)較??；這是閥板型線導(dǎo)致流動(dòng)擴(kuò)壓較為緩慢導(dǎo)致逆壓力梯度較小，但由于彎管對(duì)流體的向心作用加大了該處的逆壓力梯度，因而在右側(cè)閥板擴(kuò)張段發(fā)生了微弱的流動(dòng)分離。而左側(cè)閥板擴(kuò)張段幾乎沒有發(fā)生分離，這是由于彎管存在導(dǎo)致該側(cè)流通面積變化不大，逆壓力梯度較小，因而流動(dòng)分離不明顯。但左側(cè)閥板與管道外側(cè)間通過流體在閥板后緣由于圓弧存在導(dǎo)致突然的擴(kuò)張，因而產(chǎn)生很小的渦團(tuán)，并與右側(cè)渦團(tuán)相互作用。閥門角度為0時(shí)，剖面圖Slice-1速度矢量與15時(shí)的不同之處在以下兩點(diǎn)：第一，流動(dòng)低速區(qū)（閥板阻流形成低速區(qū)）更小，這是來流攻角減小的表現(xiàn)；第二，中心線下部存在向下的速度矢量，這是彎管內(nèi)側(cè)向心作用較大的體現(xiàn)，15時(shí)的微弱渦團(tuán)在此時(shí)與低速區(qū)流團(tuán)混合。其它同15時(shí)。剖面圖Slice-2中，由于彎管內(nèi)側(cè)流體質(zhì)點(diǎn)的向心作用，Slice-1中向下的速度矢量變?yōu)橄蛏?；同時(shí)由于與上下高速流團(tuán)的混合，流動(dòng)低速區(qū)面積減小，剖面上部和下部的速度降低。從中截面速度矢量及云圖可以看出，由于第一彎管內(nèi)側(cè)流動(dòng)分離以及二次流，分離區(qū)下方速度均具有向上的分量，因而剖面圖Slice-3中截面速度均向上；而該剖面圖中存在兩對(duì)渦團(tuán)，這是兩股流團(tuán)二次流的表現(xiàn)，高速流團(tuán)是右側(cè)閥板與管道內(nèi)側(cè)間流體二次流的表現(xiàn)，而低速流團(tuán)則是左側(cè)閥板與外側(cè)管道間流體二次流的表現(xiàn)。剖面圖Slice-4中速度矢量與閥門角度15時(shí)較為相似，此處不再贅言。而閥門角度0時(shí)第二管道內(nèi)側(cè)的流體速度相對(duì)較高，則是因?yàn)檫@是第一管道內(nèi)側(cè)的流體在能量損失較小的情況下二次流運(yùn)動(dòng)到此處時(shí)，由于速度相對(duì)較高因而再次加速而獲得更高速度。剖面圖Slice-5中，由于第二管道內(nèi)側(cè)流動(dòng)分離，Slice-4中下部高速區(qū)域在Slice-5中上移，而在后者下部出現(xiàn)分離（低速）區(qū)域，并與上方高速區(qū)域混合而使其減速，這兩部分流團(tuán)速度矢量均向上；同時(shí)，在整個(gè)剖面中心線上部，由于下部流體質(zhì)點(diǎn)的擠壓，Slice-4中上部渦團(tuán)核心繼續(xù)上移并加速；而Slice-4中下部渦團(tuán)由于下方高速區(qū)域的流動(dòng)碰撞擠壓而在Slice-5中消失，但Slice-5中心線上由于兩股流團(tuán)流向相反，因而也會(huì)發(fā)生流動(dòng)碰撞，并在Slice-5分離區(qū)兩旁形成一對(duì)不是很明顯的小渦團(tuán)。比較各閥門角度下中截流線圖可知，當(dāng)閥門角度從30變?yōu)?時(shí)，前駐點(diǎn)(點(diǎn)p)的位置向閥板迎流面邊側(cè)移動(dòng)。這與9中得到的結(jié)論是一致的。通過以上三種角度的對(duì)比分析可知，閥板對(duì)流場(chǎng)的影響較大，隨閥板角度減小，閥板迎背流面的流體擴(kuò)張也越不明顯，模型最大速度減??；閥板前駐點(diǎn)逐漸向閥板迎流面邊側(cè)移動(dòng)，一次分離區(qū)減小，而二次分離區(qū)先增大后減?。粡澒苤辛黧w質(zhì)點(diǎn)二次流、流動(dòng)分離及流動(dòng)剪切碰撞等是影響流場(chǎng)的重要因素。3結(jié)論本文采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，研究了閥門角度變化(0、15及30)對(duì)蝶閥后雙彎管模型中復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的影響，并將閥板角度為30時(shí)的速度場(chǎng)云圖與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)閥門角度對(duì)流場(chǎng)的影響較大，且隨閥門角度的減小：1）第一個(gè)彎管內(nèi)側(cè)的流動(dòng)分離現(xiàn)象越不明顯，閥板迎背流面的流體擴(kuò)張也越不明顯，模型最大速度減??；2）閥板前駐點(diǎn)逐漸向閥板迎流面邊側(cè)移動(dòng)，一次分離區(qū)減小，而二次分離區(qū)先增大后減??；3）彎管中流體質(zhì)點(diǎn)二次流運(yùn)動(dòng)、流動(dòng)分離及流動(dòng)剪切膨脹等是影響流場(chǎng)的重要因素。作者：惠偉王少飛單位：上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 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