矩形通道內縱向渦發生器作用下流場的PIV實驗研究

閔春華，楊立新，齊承英，董江峰

（1.河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401；2.邢臺市熱力公司，河北 邢臺 054000）

縱向渦發生器是一種有效的被動式強化傳熱手段，受到了國內外學者的廣泛關注[1-4]．為分析縱向渦發生器的強化傳熱機理，文獻中研究了誘導渦與對流換熱的關系，如Chen等[5]對矩形通道內三角形翼誘發的流場進行了強化傳熱實驗，發現三角形翼渦發生器對流體軸向平均速度和軸向旋渦沒有明顯的影響，但會增加湍流動能．為分析流動結構，文獻中出現了多種測量方法，如文獻 [6-7]分別采用X型熱線風速儀和四探頭熱線風速儀測量了通道內布置有矩形翼的瞬時速度和溫度分布規律．文獻[8]則采用了旋轉探針技術．文獻 [9]采用液晶顯示技術比較了12種不同形狀的渦發生器作用下的流動特性．文獻 [5]采用激光多普勒測速儀對布置有三角形翼的通道的流動特征進行了實驗研究．激光粒子圖像成像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV）作為一種最新的流動結構測試手段，受到了研究者的關注，如文獻 [10]利用PIV技術對貼壁方柱湍流場進行了可視化研究．文獻 [11]利用PIV技術對縱向渦發生器后的流動結構進行了測量．從以上文獻中可以看出，PIV技術在流動可視化研究中具有重要前景，但用于分析矩形通道內不同結構的縱向渦發生器產生的二次流結構區別的研究成果尚不多見．

本文利用PIV技術對矩形通道內布置矩形翼及組合翼縱向渦發生器時的流動特性進行了測量，分析了旋渦的產生及發展規律．

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental system

1 實驗裝置和實驗方案

1.1 實驗裝置

實驗裝置由實驗風洞、PIV系統和示蹤粒子發生器等幾部分構成，如圖1所示．實驗通道采用開式吸風方式，由有機玻璃板做成，保證激光順利透過．通道橫截面為矩形，幾何尺寸為1200mm×160mm×40mm（長×寬×高）．

實驗中采用的PIV系統由美國TSI公司生產，以Yag雙槍激光器為光源，利用640像素×480像素的CCD相機，拍攝速度為15幀/s，采用同步器使激光器系統和CCD相機相匹配．在同步器上設置激光的工作方式（雙脈沖式）、CCD的工作方式、脈沖的延遲時間和雙脈沖的時間間隔等．系統工作時，CCD的幀同步信號是主同步信號，同步器通過捕捉CCD的脈沖信號，根據所設定的脈沖延遲時間和間隔時間來控制激光器發光．由CCD相機拍攝到的圖片為TIFF格式，采用INSIGHT 3G后處理軟件進行分析．

采用Rosco 1700型煙霧發生器，產生的顆粒直徑為1～2m，可以滿足實驗測量的需要．產生的粒子無危害，不污染設備．示蹤粒子在通道入口加入，保證粒子均勻分布，也不會干擾流場．

PIV測試不確定度受多個因素的影響，如鏡頭特性、激光片的與鏡頭的距離等．但這些因素對測量結果影響較小[12]．另外，示蹤粒子的跟隨性對測量結果影響較大，實驗中示蹤例子的直徑為1～2m，在PIV測試精度要求范圍內，故實際上對結果影響較小．

1.2 實驗方案

實驗的主要目的在于比較光通道和分別布置有矩形翼和組合翼的通道內的流動結構．實驗通道及縱向渦發生器如圖2所示．組合翼由矩形翼（這里稱為主翼）的側面垂直布置一較小的矩形輔翼構成．圖中輔翼布置在主翼的上游，通過后面的分析會發現，輔翼布置在主翼的上游和下游對流動特性有一定影響．另外圖中輔翼沿流動方向向下安裝，后面分析結果表明，輔翼向上和向下安裝產生的二次流有一定區別．主翼的攻角記為，輔翼的攻角記為 ．實驗中，主翼攻角和輔翼攻角均為30°．

在矩形通道進口處布置一個熱線風速儀用于測量風速．由于進口斷面各處風速差別較小，可認為熱線風速儀測得的風速為通道平均風速．

主翼尺寸為40 mm×30 mm×1.2 mm（長×寬×厚），輔翼尺寸為20mm×10mm×1.2mm（長×寬×厚）．渦發生器到通道入口距離為m=40 mm，輔翼在主翼上的位置為a=15 mm和b=20mm．各符號均標示于圖2．

圖2 實驗通道及組合翼縱向渦發生器Fig.2 Theexperimental channel and combined wing vortex generator

實驗中測量了5個斷面的速度矢量，這5個斷面到縱向渦發生器前端的距離分別為36 mm、42 mm、57 mm、114 mm和216mm．每次拍攝圖片數量為1 500對，對每對圖片的結果取時均值后再進行分析．

有機玻璃板能保證激光順利透過，但會影響CCD相機拍攝清晰度．為避免有機玻璃板對實驗的影響，實驗中將CCD相機置于通道后端，而將引風機連接在通道上端，如圖1所示．實驗證明，該方法能有效捕捉被拍攝斷面的速度分布．

2 實驗結果及分析

圖3所示為光通道不同斷面處的二次流矢量圖．受到CCD相機視角的影響，圖中僅顯示通道寬度的一半．實際上，在通道內布置一對縱向渦發生器后，可近似認為流動沿寬度方向對稱．可以看出，在沒有受到縱向渦發生器干擾的情況下，光通道內產生了二次流．這主要是因為受地球自轉作用的影響，空氣在通道中產生了旋轉運動．比較不同斷面處的二次流可以看出，縱向渦的強度沿流動方向逐漸減弱；當>114 mm時，旋渦破碎，形成多個小旋渦均勻分布在通道斷面上．這可能是因為空氣受到矩形通道4個直角的干擾，由地球自轉引起的旋轉強度被耗散而逐漸減弱，破壞了旋渦的進一步發展．但總體上光通道內二次流強度較弱，因此作者認為，該二次流對換熱影響較小，詳細研究有待深入展開．這一結論在本文后面分析縱向渦發生器作用下產生的二次流的特點時可得到驗證．

圖4所示為矩形翼在不同斷面處產生的二次流．與光通道相比，旋渦強度和旋渦影響的范圍均明顯增加，如在=216 mm的斷面上仍有明顯旋渦．另外，在=42mm的斷面上，在壁面附近產生一個角渦，但角渦強度較小，且隨著流動的進行，角渦逐漸消失．圖5所示為當輔翼背風且沿流動方向向下安裝時，組合翼在不同斷面處產生的二次流．可以看出，所產生的旋渦結構與矩形翼相似，但組合翼產生的主渦和角渦強度均比矩形翼產生的旋渦強度大．

圖6所示為組合翼輔翼沿流動方向向下安裝時迎風位置和背風位置產生的二次流的區別．可以看出，輔翼背風安裝時，角渦靠近通道底面，而輔翼迎風安裝時，角渦靠近通道側壁．這主要是因為主翼的背風為吸力面，流速高于迎風面，輔翼對流動的擾動增強．

圖3 光通道二次流速度矢量Fig.3 Secondary flow velocity vector in thesmooth channel

圖4 矩形翼產生的二次流Fig. 4 Secondary flow velocity vector generated by the rectangular wing

圖5 組合翼輔翼背風沿流動方向向下安裝時產生的二次流Fig.5 Secondary flow velocity vector generated by thecombined wing with theaccessory wing mounted downward and on theback face

以上分析表明，矩形翼與組合翼產生的二次流有較大區別，對于組合翼，輔翼的不同布置位置與布置方式得到的二次流也有較大區別．由于流動結構的區別，流動與通道壁面的作用不同，從而引起對流換熱強度的變化．關于流動結構與對流換熱之間的關系，有待進一步展開研究．

圖6 =42mm處迎風輔翼與背風輔翼產生的二次流比較Fig.6 Comparison of secondary flow velocity vector generated by thecombined wing with theaccessory wing mounted on thefront and back facesat =42 mm

3 結論

利用PIV技術對矩形通道內布置矩形翼縱向渦發生器與組合翼縱向渦發生器時產生的二次流結構進行了測量，分析了組合翼輔翼布置位置和布置方式對流動結構的影響，得到如下主要結論：

1）由于地球自轉作用，空氣在流過光通道時，會產生整體旋轉運動．受到通道邊壁的干擾，旋渦強度沿流動方向逐漸減弱，最后在通道斷面上形成多個小旋渦．

2）與光通道相比，通道內布置矩形翼縱向渦發生器后，旋渦強度和影響范圍均明顯增加．在距縱向渦發生器較近的地方，形成角渦，隨著流動的進行，角渦逐漸消失．

3）組合翼產生的二次流結構與矩形翼相似，但二次流和角渦強度均增加．從二次流的強度和角渦對通道底面的作用的角度分析，輔翼背風布置優于迎風布置．

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