【摘要】：三維旋轉(zhuǎn)湍流場的研究對廓清旋轉(zhuǎn)流場的分離機(jī)制,提高水力旋流器的分離效率,具有十分重要的意義。旋轉(zhuǎn)流場的切向、軸向和徑向三個速度分量是闡明其分離機(jī)理的基本參數(shù),此外,旋轉(zhuǎn)流場還存在一些基本的流動特征,比如零軸速包絡(luò)面、短路流和二次渦流。旋轉(zhuǎn)流場具有高度的三維性和瞬時性,對測量技術(shù)的要求很高。本文提出綜合利用三種激光測速方法,即體三維流場測速(V3V)、粒子圖像測速(PIV)和相位多普勒分析(PDPA)三種測試方法的優(yōu)勢,探索可以全面探測旋轉(zhuǎn)流場各主要參數(shù)的測試方案。針對35mm錐角為6°的水力旋流器,重點(diǎn)研究了切向、軸向、徑向等速度分量,短路流、二次渦流等流動結(jié)構(gòu)以及切向速度指數(shù)、零軸速度包絡(luò)面等流場重要特征和參數(shù),獲得的創(chuàng)新性成果如下：(1)通過分析V3V測試光路、設(shè)計基于碘化鈉-水溶液的折射率匹配方案,結(jié)合微流控技術(shù)制備單分散示蹤微球,首次實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)流場的三維三分量速度分布的測量；測定了三維零軸速度包絡(luò)面；提出采用三維軸向速度分布進(jìn)行短路流計算的方法,獲得短路流量為13%；發(fā)現(xiàn)了向下旋進(jìn)的二次渦流現(xiàn)象,并給出了體三維流場中旋流場內(nèi)沿螺旋線分布的循環(huán)流流量的計算模型,估算出下錐段的循環(huán)流量約為：10.39×10~(-6)m~3/s。(2)首次提出PIV層攝分析法,解決了平面兩維PIV無法測量旋轉(zhuǎn)流場的切向速度的問題。測量旋轉(zhuǎn)流場在不同分流比時候的切向速度分布,發(fā)現(xiàn)分流比改變了上行流的軸向速度分布和分布空間,分流比為0的工況下旋轉(zhuǎn)流場中心處強(qiáng)制渦區(qū)域的切向旋轉(zhuǎn)速度明顯較高,而邊壁處的切向速度則有一定的削弱；測量了旋流器內(nèi)不同流量和分流比下r-z面上的軸向速度,發(fā)現(xiàn)LZW的形狀不隨進(jìn)口流量變化改變,隨著分流比的減小,LZW逐漸不連續(xù),過小的分流比導(dǎo)致了過大的向上的軸向速度,使得流體沖撞旋流管壁面,流場的穩(wěn)定分布被破壞；通過r-z切面上的流線分布,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流場內(nèi)的二次渦并不是軸對稱的,在整個水力旋流器的長度上交錯布置；測量了軸向和徑向湍動速度,發(fā)現(xiàn)無論是軸向還是徑向流強(qiáng)度大的位置主要在強(qiáng)制渦區(qū)域,和輕質(zhì)分散相通過PDPA測得的邊壁處軸向湍動更大不同。(3)通過沿錐面布置長視窗,實(shí)現(xiàn)靈活的PDPA測量位置以及更多的測試點(diǎn),切向速度和軸向速度因旋流管斜置引起的總誤差最大值分別為0.04%和0.69%；采用PDPA對三種不同進(jìn)口大小的水力旋流器流場內(nèi)的切向、軸向速度分量,零軸速度包絡(luò)面和二次渦流等流場特征進(jìn)行測量,重點(diǎn)分析了切向速度指數(shù)的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)切向速度隨著進(jìn)口尺寸的減小而增大。進(jìn)口的增大還引起了切向速度指數(shù)n的增大。更大進(jìn)口的旋流器切向速度分布更接近自由渦,切向速度從中心的峰值到邊壁處下降較快,對邊壁處的顆粒分離不利。另外,切向速度指數(shù)n從頂蓋到底流口成從小到大的趨勢。在較小的進(jìn)口尺寸下,由于輸入了更多的能量,柱段的切向速度靠近邊壁處呈現(xiàn)出偏強(qiáng)制渦的規(guī)律；分析了進(jìn)口尺寸對軸向速度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)口尺寸的增大,LZVV的位置相對遠(yuǎn)離旋流器壁面,同時向軸心以及底流口偏移。此外,通過PDPA測定了切向和軸向湍動速度,發(fā)現(xiàn)隨進(jìn)口的減小,切向和軸向的湍動均增大,使得旋流器內(nèi)能量耗散增大,壓力降也會隨之增大。
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【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ051.8

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2335257