1研究背景
2實(shí)驗(yàn)平臺(tái) II. 流場(chǎng)測(cè)量設(shè)備（見圖1）：采用中科君達(dá)視界提供的千眼狼高速攝像機(jī)，分辨率1920×1080 @2000fps，用于捕捉示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡；連續(xù)波激光器，波長(zhǎng)532 nm，功率10 W,用于產(chǎn)生1 mm厚度，發(fā)散角15°的片光源；千眼狼自研流場(chǎng)測(cè)量PIV軟件RFlow，用于提取相鄰幀中粒子的位移分量，計(jì)算速度矢量分布，生產(chǎn)流場(chǎng)速度矢量圖。 圖1 3實(shí)驗(yàn)步驟 I. 穩(wěn)定水模型、標(biāo)定并添加示蹤粒子 將水模型內(nèi)水流調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)，隨后引入與水密度接近的示蹤粒子，在靜態(tài)水中進(jìn)行網(wǎng)格標(biāo)定，確定視場(chǎng)范圍與坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)關(guān)系。開啟水泵與氣體供應(yīng)，待流動(dòng)穩(wěn)定。 II. 進(jìn)行PIV流場(chǎng)測(cè)量 啟動(dòng)532 nm激光片光源，照亮中間包中部測(cè)量區(qū)域，同步開啟高速攝像機(jī)，以400 fps 幀率連續(xù)拍攝3 s，獲取示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像序列，再使用千眼狼PIV軟件對(duì)圖像進(jìn)行跨幀分析，提取粒子位移數(shù)據(jù)計(jì)算并生成流場(chǎng)矢量圖。 3.3 模型驗(yàn)證對(duì)比 基于水模型幾何參數(shù)建立CFD模型，采用歐拉-歐拉法模擬氣液兩相流，連續(xù)相（水）湍流模型為 realizable k-ε 兩層模型（RKE-2L），離散相（空氣）采用 Issa 湍流響應(yīng)模型；將PIV測(cè)量速度場(chǎng)與CFD模擬結(jié)果進(jìn)行定量對(duì)比，重點(diǎn)驗(yàn)證不同吹氣N（空中間包）、R1（右側(cè)壁吹氣）、F2（前側(cè)壁吹氣）三個(gè)關(guān)鍵方案下渦旋結(jié)構(gòu)、速度分布的一致性。 4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) I. N方案（空中間包，即無吹氣基準(zhǔn)工況） 此方案為基礎(chǔ)流場(chǎng)的驗(yàn)證。PIV測(cè)量結(jié)果顯示，在速度矢量圖中間包中部存在兩個(gè)逆時(shí)針渦，CFD模擬得到的速度矢量分布與PIV測(cè)量結(jié)果高度吻合—兩個(gè)逆時(shí)針渦的位置，且渦區(qū)內(nèi)速度幅值與PIV測(cè)量值高度一致，表明基礎(chǔ)模型能準(zhǔn)確反映裸包內(nèi)的主流形態(tài)，詳見圖2。 圖2 II. R1方案（即右側(cè)壁吹氣工況） 此方案為局部渦結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證。PIV測(cè)量結(jié)果顯示，右側(cè)壁吹氣后，誘導(dǎo)出一個(gè)貫穿中部區(qū)域的大型逆時(shí)針主渦，氣體上升流帶動(dòng)周圍液體形成環(huán)流結(jié)構(gòu)。PIV系統(tǒng)測(cè)得主渦中心區(qū)域速度與CFD預(yù)測(cè)值偏差小于8%。速度方向與強(qiáng)度的空間分布一致性良好，驗(yàn)證了CFD模型能夠精確捕捉“側(cè)壁吹氣對(duì)渦結(jié)構(gòu)的重構(gòu)作用”，包括渦的數(shù)量、位置及局部流速變化，可用于分析右側(cè)壁吹氣對(duì)局部流場(chǎng)的優(yōu)化效果，詳見圖3。 圖3 III. F2方案（即前側(cè)壁吹氣方案） 此方案為復(fù)雜流態(tài)的驗(yàn)證。PIV測(cè)量結(jié)果顯示，前側(cè)壁吹氣后，流場(chǎng)呈現(xiàn)反向雙渦結(jié)構(gòu)，靠近保護(hù)罩側(cè)為逆時(shí)針渦，靠近出口側(cè)為順時(shí)針渦，兩個(gè)渦的間距較N方案更小，對(duì)稱分布于氣柱兩側(cè)。CFD模擬的反向雙渦結(jié)構(gòu)與PIV測(cè)量完全一致，渦的旋轉(zhuǎn)方向、間距均被準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，保護(hù)罩側(cè)渦內(nèi)流速計(jì)算值與PIV實(shí)測(cè)值誤差＜2%，出口側(cè)渦的流速偏差＜3%，表明CFD模型能精準(zhǔn)模擬“前側(cè)壁吹氣形成的復(fù)雜螺旋渦”，為全流場(chǎng)優(yōu)化分析提供了可靠的數(shù)值工具，詳見圖4。 圖4 5實(shí)驗(yàn)結(jié)論 II. F1方案為最優(yōu)方案：PIV-CFD協(xié)同分析表明，流場(chǎng)形成的大螺旋渦能攪拌全中間包流體，死區(qū)體積僅39.68%，且表面流增強(qiáng)，利于夾雜物上浮；相比右側(cè)壁吹氣，流場(chǎng)均勻性更優(yōu)，同時(shí)規(guī)避高流量和高位吹氣導(dǎo)致的卷渣風(fēng)險(xiǎn)。 6結(jié)語
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