為了定量分析湍流中濃度、溫度等標(biāo)量的輸運(yùn)過程,需要同時(shí)獲取流場空間內(nèi)速度和標(biāo)量的脈動(dòng)值,以確定湍流擴(kuò)散特征量。詳細(xì)介紹了同步應(yīng)用粒子圖像測速與平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)開展測量和數(shù)據(jù)處理的方法,并應(yīng)用該方法獲取了槽道內(nèi)兩種流體的湍流擴(kuò)散通量等特征量。研究結(jié)果表明,該方法可有效地應(yīng)用于湍流擴(kuò)散研究領(lǐng)域。 

【文章來源】：上海電力學(xué)院學(xué)報(bào). 2019,35(01)

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【部分圖文】：

槽道截面上不同類型流體的平均流向速度分布

慷戎?。該處理方法的示意圖如圖2所示。圖2中黑點(diǎn)即為速度矢量位置。圖2速度矢量與熒光像素點(diǎn)相對位置示意根據(jù)該設(shè)想，結(jié)合PLIF校準(zhǔn)測試中所得到的熒光強(qiáng)度與染色濃度的線性關(guān)系，通過自編程序處理，即可得到每幅瞬時(shí)圖像中各速度矢量位置上的濃度值及其系綜平均值，從而可以得到平均濃度和瞬時(shí)脈動(dòng)濃度場。利用與上述時(shí)間對應(yīng)的瞬時(shí)脈動(dòng)速度場和瞬時(shí)脈動(dòng)濃度場，就可以計(jì)算出湍流擴(kuò)散的特征量，以實(shí)現(xiàn)真正意義上同步測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。4應(yīng)用與結(jié)果4．1平均速度和濃度圖3和圖4分別給出了應(yīng)用同步測量方法得到的槽道截面內(nèi)平均流向速度和注入溶液在垂直壁面方向上的平均濃度分布。圖3中的縱坐標(biāo)為基于槽道內(nèi)平均速度(Ub)做無量綱化的平均流向速度;圖4中的縱坐標(biāo)C/C0代表基于注入水或溶液最大熒光強(qiáng)度值計(jì)算的無量綱平均濃度值。圖3槽道截面上不同類型流體的平均流向速度分布圖4垂直壁面方向不同類型流體的平均濃度分布由圖3可以看出，槽道中呈拋物線分布的平均流向速度，經(jīng)積分可求得槽道內(nèi)截面上平均速度為0．82m/s。該結(jié)果與試驗(yàn)槽道內(nèi)通過流量反算的平均流速一致。這也證明了測量結(jié)果及該同步測量方法的可靠性。此外，對比發(fā)現(xiàn)，靠近多孔壁面處，注入聚合物溶液的平均速度分布略大于注入水流的平均速度，這與黏彈性的高分子聚合物溶液造成的湍流減阻現(xiàn)象一致。黏彈性溶液抑制近壁渦結(jié)構(gòu)，使得近壁區(qū)域內(nèi)流體脈動(dòng)速度傾向于以流向方向?yàn)橹鲗?dǎo)，從而改變了近壁區(qū)域的速度分布。槽道另一側(cè)壁面附近的流體因注入聚合物溶液擴(kuò)散較慢并未受到影響，速度分布與注水條件下相同。由圖4可以看出，在注入聚合物溶液

上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)2019年的無量綱平均濃度明顯高于注水條件下的值，而注入的水在垂直壁面方向整體平均濃度梯度較小且很平穩(wěn)。這表明，與水相比，聚合物溶液在槽道湍流中的擴(kuò)散較慢。究其原因，同樣是受黏彈性溶液抑制了湍流渦結(jié)構(gòu)的影響。這些定性結(jié)果與文獻(xiàn)［4-5］中的報(bào)道一致，反映了同步測量中標(biāo)量測定結(jié)果的可靠性。4．2脈動(dòng)速度與濃度圖5給出了注入水和聚合物溶液條件下測量平面內(nèi)典型瞬時(shí)流向與垂直壁面方向的脈動(dòng)速度和量與脈動(dòng)濃度圖。圖5中的云值即為該瞬間各矢量位置上的無量綱脈動(dòng)濃度值。由圖5(a)可知，在注水的槽道中，速度矢量反映出了豐富的渦結(jié)構(gòu)信息，且注入的被染色的水分布在全場，表現(xiàn)為各處脈動(dòng)濃度均有較大的值。由圖5(b)可知，受注入聚合物溶液的影響，槽道湍流中近壁渦結(jié)構(gòu)得到一定程度的抑制，聚合物的擴(kuò)散也受抑制，在遠(yuǎn)離壁面位置，脈動(dòng)濃度值較小。由此可見，應(yīng)用同步測量方法，可以很方便地獲取能反應(yīng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)和濃度標(biāo)量瞬時(shí)分布的信息，便于查明兩者的相互作用機(jī)制與影響。圖5測量平面內(nèi)不同類型流體的脈動(dòng)速度矢量和脈動(dòng)濃度4．3湍流擴(kuò)散的質(zhì)通量湍流質(zhì)通量由測量所得的平面內(nèi)相同位置脈動(dòng)濃度值與脈動(dòng)速度值相乘而得，隨后結(jié)合所有拍攝到的瞬時(shí)圖像做系綜統(tǒng)計(jì)平均，得到垂直壁面方向(y方向)上不同位置的湍流質(zhì)通量。其中，對湍流擴(kuò)散傳質(zhì)起主導(dǎo)作用的垂直壁面方向湍流質(zhì)通量的表達(dá)式為c'v'(y)=1NxNk∑Nxx=1∑Nkk=1c'kv'k(x，y)(2)式中:c'———濃度脈動(dòng)值;v'———垂直壁面方向上的脈動(dòng)速度;Nx———每條流向線上的數(shù)據(jù)點(diǎn);Nk?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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