采用3D-LDA測量旋轉射流速度的方法研究

龔迎莉，衡思江，祁海鷹

(清華大學 熱科學及動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

激光多普勒粒子動態分析儀(PDA)采用非接觸式測量技術，已被廣泛應用于流場中示蹤粒子的粒徑和速度測試，及噴霧特性和多相流的科學研究中。對于非旋轉粒子的流場，通常一維和二維的測試模式都可滿足要求。利用PDA，人們研究過噴嘴的噴霧特性[1-4]及燃燒器的氣固兩項流和速度場等[5-6]，研究噴嘴和燃燒器應用方面的文章很多，但是探討PDA測試技術的文章幾乎沒有，大多數是測試流場中示蹤粒子的粒徑分布情況、一維速度和二維速度。如果不帶旋流的射流，通過測試垂直的2個半徑上的二維速度，即可獲得3個分速度。

本文利用激光多普勒測速儀(3D-LDA的模式)對封閉式的燃燒器旋轉射流流場的三維速度的測試技術進行研究。在數據采集的過程中，發現3D-LDA的發射探頭和接收探頭的擺放方式不同的時候，實驗臺流場中的三維速度的對稱性和數據大小方面存在一定的差異，結合數值模擬的速度值進行對比，并就此問題展開探討，以便更真實地反映流場的運動情況，具有科學研究的指導意義。

1 實驗系統、測試儀器與方法

PDA測試速度的實驗系統原理圖和旋流噴嘴的結構見圖1。旋流噴嘴噴出示蹤粒子，采用3D-LDA的模式的非協同模式對實驗中的示蹤粒子進行檢測。實驗測試分為3個階段：(1)旋流噴嘴的噴口朝水平方向的測試，見圖2；(2)旋流噴嘴的噴口朝上的測試，2個探頭互相垂直，采集信號相互接收，見圖3(a)；(3)旋流噴嘴的噴口朝上的測試，2個探頭呈一定夾角，采集信號相互接收，見圖3(b)。

圖1 實驗裝置

圖2 旋流噴嘴水平放置時的測試示意圖(俯視圖)

圖3 不同的測量接收模式

1.1 實驗原理

在3D-LDA的測試中，采用非接觸式測量技術，屬于點式測量。激光發生器產生的光經過布萊格分光器獲得綠、藍、紫3種顏色的激光光束，通過3束光加40 MHz頻移解決速度的方向問題，即沒有加頻移的光指向加頻移的光斑方向為所測分速度的正向，相同顏色的兩束光在測量體區域產生干涉現象，照射到流場中運動著的示蹤粒子，產生散射。接收到的光信號經過光電倍增管放大轉化成電信號，進入多普勒信號處理器，多普勒信號轉化成速度[7-8]。散射光的頻率和入射光的頻率比較，存在頻率偏移，即頻差，該頻差和示蹤粒子的速度成正比關系：

(1)

式中，θ是兩束入射光之間的夾角，fD是頻差

1.2 儀器與實驗裝置

激光多普勒粒子動態分析儀(PDA)：測量所用儀器是丹麥Dantec公司的Classic PDA，信號處理器型號為BSA60。探頭具有發射激光和接收散射光信號的功能。2D探頭發射514.5 nm綠光和488 nm藍光，1D探頭發射476.5 nm紫光；2D探頭接收紫光的散射光信號，1D探頭接收綠光和藍光的散射光信號。三維坐標架在3個方向的移動距離都為610 mm。

燃料旋流器為裝有8個45°直葉片的軸向旋流器[9]。燃燒腔室豎直縱截面為85 mm×85 mm的方形，高120 mm。燃燒腔室上方接一個由方形逐漸過渡到圓形的過渡段，最后經圓柱形出口連接大氣。觀測窗口采用普通玻璃，其他非觀測窗口貼有黑紙，避免環境雜光影響。

1.3 測量方法可行性的檢驗

對旋流噴嘴進行了不同角度和不同高度的流場的x軸的直徑方向進行三維速度的測試。

流場測試的模擬燃料流量Qf=9 m3/h，實驗選取了跟隨性強的平均粒徑為1.6m的飛灰微粒作為示蹤粒子[10]，給料量為80 g/h。

首先將旋流噴嘴水平放置進行了測試檢驗(見圖2)，發現激光入射光與噴嘴出口壁面的反射光影響多普勒干涉，導致信噪比小，儀器無法正常工作。后改為射流方向向上的垂直放置，并檢驗了以下3種情況：

(1) 交互式側向接收模式(見圖3a)，流場中不同高度的三維速度測試；

(2) 交互式側向接收模式，旋流燃燒器的擺放位置和有無觀察窗口的三維速度測試；

(3) 后向接收模式(見圖3b)，變換旋流噴嘴的噴射位置，調節探頭的放置位置，對實驗臺進行三維速度的測試，并對軸向速度、切向速度和徑向速度差異進行討論。

2 結果與分析

2.1 激光與實驗件壁面的干涉問題

如圖2所示，當旋流噴嘴的噴口朝水平方向時，流場的主流速度為水平方向，2個探頭放在一個坐標架的懸梁上，2D發射探頭(綠光和藍光)的入射角度為0°，1D發射探頭(紫光)的入射角為28°，接收信號采用交互式后向接收的模式。采集情況并不理想，光電倍增管的高壓的設定值在600～700 V時，光電倍增管的極電流顯示過載，儀器的分辨率很低，基本上得不到理想的速度分布的直方圖。分析原因：入射光實驗臺壁面的反射光信號遠遠強于后向接收的散射光信號，可能是激光照射到旋流噴嘴的噴口處，反射光干擾了多普勒干涉，影響測試，接收到的光信號不能真實反映實際的散射光的信號。同時，加載的高壓值太低，儀器的分辨率低，接收到示蹤粒子的散射光的強度太弱，儀器噪聲太高，無法正常工作。

2.2 旋流噴嘴的噴口朝上，兩個探頭交互式側向接收布局對三維速度的測試影響

如圖3(a)所示，改變旋流噴嘴的噴口，朝左側噴更改為朝上噴射，光電倍增管高壓的設定值為1 200 V，儀器的分辨率提高，采集過程中，整體上綠、藍、紫光的有效率比較協調，差異小，數據率也較高。綠光測軸向速度，藍光測徑向速度，紫光測切向速度。儀器測試過程中的運行狀態較好。

2.2.1 發射探頭垂直擺放，相互接收

當旋流噴嘴的噴口朝上時，流場的主流速度為豎直向上，2個探頭放在L型的坐標架上，2個探頭垂直擺放。在開始的測試中，發現坐標架的懸臂有晃動，由于懸臂一側的鏡頭較重，另一側輕，不能真實地反映流場示蹤粒子的運動情況。采用軟件中的延時功能，設定移動坐標架2 s后進行數據采集，這樣更能真實的反映流場情況。

如圖4所示，對3個高度為1.2、3.2、6.2 mm進行了測試，圖4(a)中，軸向速度的對稱性較好，x軸的正向數值比負向數值高，可能是旋流噴嘴的流場有一點向x軸的負向側偏，相對而言，正向最高值的測量點離噴口更近一些。隨著高度的變化，軸向速度最大值的位點向兩邊擴張，數據表明旋轉射流整體呈錐形噴射。圖4(b)中，切向速度的對稱性較好，但是圖形整體向x軸正向偏移約0.25 mm。原因是坐標架沿著x軸方向移動時，2D發射探頭發射出的激光的測量點距離始終不變，而1D發射探頭距離測試窗口不斷變化，玻璃和空氣的折射率不同，導致切向速度整體偏移，所測位置越高，切向速度的最大值的位點向兩側擴張，與軸向速度一樣符合錐形噴射的變化規律。圖4(c)中，徑向速度最大值的位置的對稱性較好，而x軸正向的徑向速度最大值明顯大于負向的最大值，進一步驗證x軸正向的測試點距離噴口更近一些，和圖4(a)的推測結論相一致。所測位置越高，徑向速度峰形分布圖對稱性更強，反映出速度分布的規律性。而Z=1.2 mm的徑向速度很不穩定，離噴口太近，受到的干擾因素較多，比如粒子分布均勻性差、散射光在器件上的反射光干擾、沉降的示蹤粒子及玻璃的折射等因素。

2.2.2 旋轉燃燒器和取消玻璃窗口的測試

圖5為Z=1.2 mm的不同測試條件(分別為原始條件Ⅰ，即燃燒器原位旋轉；條件Ⅱ為燃燒器噴口旋轉180°、條件Ⅲ為燃燒器噴口旋轉180°和無玻璃窗口)下的速度分布圖。圖5(a)中：條件Ⅰ下x軸的-6.4 mm處的Vz最大值為34.83 m/s，5.8 mm處的Vz最大值31.88m/s；條件Ⅱ下，x軸的-6 mm處的Vz最大值36.96 m/s，6.6 mm處的Vz最大值37.23 m/s；條件Ⅲ下，x軸的-6 mm處的Vz最大值34.3 m/s，6 mm處的Vz最大值36.18 m/s。3種測試情況，整體上圖形的軸向速度的對稱性較好。條件Ⅰ和條件Ⅱ的Vz最大值比較，測試結論正好相反，進一步證實噴嘴的噴射向一側偏斜。圖5(b)中：切向速度的峰形分布圖的對稱性較好，條件Ⅲ的速度分布圖在x軸的-6 mm和6.4 mm處出現的Vt最大值分別為28.54 m/s，28.37 m/s，切向速度的峰形的對稱性更好，Vt最大值也更加接近；條件Ⅰ和條件Ⅱ下，切向速度的速度分布圖以x=0.5 mm處為對稱點，圖形的對稱性也挺好，整體往x軸正向偏移大約0.5 mm，由此可見，玻璃的密度比環境的空氣密度大，空氣的折射率約為1，玻璃的折射率按成分不同而為1.5～1.9，玻璃的折射率對光的發射和接收都有一定的影響，導致測出的切向速度峰形分布圖向x軸的正向偏移。在圖5(c)中：徑向速度分布的對稱性較差，徑向速度分布圖的峰值差異較大。究其原因，由2.2.1知，離噴嘴太近，干擾較嚴重，Vr不能很好地反映流場的徑向速度。三種不同的測試情況比較而言，從峰形分布而言，條件Ⅲ測試的三維速度的數據更為理想，峰形的對稱性更好，三維速度的最大值也較為接近。

圖4 單獨噴射模擬燃料時的速度分布

圖5 側向接收速度分布圖(z=1.2mm)

2.3 旋流噴嘴的噴口朝上的測試、后向接收對三維速度的測試影響

為了真實反映封閉流場的工作情況，有一些流場的測試必須在封閉的條件下測試。將探頭的布局模式改變成后向接收(見圖3(b))，2D探頭和1D探頭放置在坐標架的一個懸臂上，測試的速度不再是兩兩垂直的三維速度，需要將角度轉化為三維速度。探頭旋轉角度的讀數分別為α1=0°,α2=21°，見圖6，此時三維速度的轉化公式如下：

圖6 3D-LDA的幾何圖

(2)

測得3個分速度值，經過公式(2)的換算獲得三維分速度見圖7，軸向速度、切向速度和徑向速度在x軸的最大值基本都出現在±6.5 mm的坐標上。在坐標x軸負向的峰值出現在6.4 mm處，VZ最大值為33.93 m/s，在6.6 mm處Vt最大值為33.78 m/s；正向的峰值出現在-6.6 mm處，VZ最大值為35.37 m/s，在6.6mm處Vt最大值為-32.08 m/s。由2.2.1節知，離噴嘴太近，干擾較嚴重，Vr不能很好地反映流場的徑向速度。在這里主要參考軸向速度和徑向速度。三維分速度的峰值出現的位點基本接近。圖形的對稱性比2.2節中的優化了，更能真實地反映流場的運動情況，依據搭建實驗臺的人反映，噴口負向的數值與模擬出旋流噴嘴的燃燒的計算值比較吻合。在后續的試驗中，確定x軸的負半軸為測試對象，反映實驗臺的流場的運動速度情況。

圖7 后向接收速度分布圖(z=1.2mm)

3 結論

本文采用3D-LDA的非協同交互式采集模式測試，對旋流噴嘴進行了3維速度的測試。結論如下：

(1) 針對開放式的實驗臺，采用2個探頭互相垂直的L型布局，無需速度換算，即可直接測得3維速度；

(2) 對有玻璃觀測窗口的情形，宜采用后向接收的探頭布局。當兩個探頭逐點測量移動時，其激光測量體位置保持不變，避免了L型布局的缺陷；

(3) 如對有玻璃觀測窗口的情形仍采用L型探頭布局，則必須采取相應的措施消除玻璃折射導致的激光測量體位置的偏移，如減小觀測窗玻璃厚度，或采用低密度透光材料，材料來源保持一致，或通過試驗測得偏移量的校正系數，進而對測量體位置進行校正。

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