基于PIV的循環式生物絮團系統渦旋分離器內流場研究

史明明 孫先鵬 朱松明 劉 晃 龍麗娜 阮贇杰

(1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院， 杭州 310058； 2.農業農村部漁業裝備與工程技術重點實驗室， 上海 200092； 3.江蘇大學流體機械工程技術研究中心， 鎮江 212013)

0 引言

渦旋分離器(Hydraulic vertox separator, HDVS)因其結構緊湊、操作簡單及運行成本低等優點而廣泛應用于環境工程、農業工程等相關領域[1-3]。其中，在水產養殖過程中，生物絮團養殖系統需要適時適量地排出養殖水體內多余生物絮團，以確?？倯腋」腆w濃度處于適宜養殖對象生長的范圍之內。渦旋分離器作為國內外循環水養殖系統固液分離的關鍵部件之一，為養殖水體中生物絮團顆粒的分離提供了新的途徑[4-7]。渦旋分離器清水流場的研究對于間接分析其絮團顆粒分離能力十分必要[8]。目前關于渦旋分離器清水流場的研究主要包括理論分析、試驗研究和數值模擬3方面[9]。

通過理論分析往往可以定性獲取渦旋分離器內部流場的一定規律，但這部分經驗公式僅適用于特定的工況條件，具有一定的局限性[10]；而數值模擬需要求解復雜的方程，同時存在建模誤差和計算誤差等問題，其結果的可靠性往往受到質疑[11]。隨著試驗分析手段的不斷提高，渦旋分離器內部流場相關參數的測量已經不受傳統接觸式測量方法的限制，非接觸式精確測量方面已取得較大進展[12-13]。本文設計滿足粒子圖像測速法(PIV)測量要求的HDVS模型，測量并分析新型HDVS結構的流場分布特性以及水力停留時間對其清水流場的影響，進而為HDVS結構的改進以及高效的運行提供一定的理論依據。

1 試驗裝置

1.1 PIV試驗系統

圖1所示為渦旋分離器流場測試PIV試驗系統簡圖，該系統主要由PIV測量裝置和自循環裝置兩部分組成，其中，PIV測量裝置包括計算機(計算裝置)、激光發生器、PIV同步控制器和相機(數據采集裝置)，而自循環裝置由循環泵、流量監測器、流量控制器(閥門)、渦旋分離器和蓄水箱構成。其中流量監測器采用MIK-200H型便攜式超聲流量計(杭州美控自動化技術有限公司)替代。

系統工作過程：蓄水箱里裝有一定量的帶有示蹤粒子的水體，在水泵的作用下水體以定速度從渦旋分離器入口切向射入渦旋分離器內。采用鋼尺對渦旋分離器進行標定，以提高拍攝結果的準確度。激光產生的片狀光源從渦旋分離器柱段過中心軸截面射出。通過流量監測器獲得當前渦旋分離器的入射水流流量，并進一步換算獲得渦旋分離器的水力停留時間。另外，改變流量控制器，進而獲得其他所需研究的渦旋分離器水力停留時間。

圖1 渦旋分離器流場測試PIV試驗系統簡圖Fig.1 Schematic of PIV experiment system of flow field in HDVS1.計算機 2.蓄水箱 3.循環泵 4.流量控制器 5.流量監測器 6.球閥 7.渦旋分離器 8.相機 9.PIV同步控制器 10.激光發生器

1.2 PIV測量裝置

圖2 試驗用PIV系統實物圖Fig.2 Real shot of PIV system applied in this experiment

本試驗設備采用美國TSI公司生產的PIV系統，系統實物裝置如圖2所示，該系統具有較高的性價比和集成穩定性。具體包括：

PIV01134型雙脈沖激光器：由英國LITRON公司生產，輸出能量高達22.5 mJ/脈沖，脈沖頻率為1 000 Hz，而最大頻率可以達到20 kHz，出射波長為527 nm的可見綠光，設備穩定性良好，無需外部冷卻。

630083-12GB型CMOS相機：由美國Phantam公司生產，單幅采集1 280像素×800像素，分辨率為1 M像素，動態范圍12位，3 200幀/s的滿幀頻，并配有12 GB內存。

610026型片光源透鏡組：由美國TSI公司生產，片光焦距0.3～3 m可調，柱面鏡焦距為-10 mm和-20 mm。

610036型外置同步器：由美國TSI公司生產，LaserPuls 計算機控制同步器，時間分辨率最低為0.25 ns，主要控制相機和激光發生器的工作時間軸序。

PIV軟件采集分析平臺：包括采樣和處理軟件Insight4G和DELL工作站(內存16GB，硬盤2TB)，軟件為美國TSI公司研發的專業的PIV測試用軟件Insight4G-UP(Insight4G, Module4G-2DPIV)。Insight4G圖像采集、分析及顯示軟件平臺是基于.NET技術設計，且具有并行處理功能的分布式二維PIV圖像采集、分析和顯示專用數據處理軟件。

10089-SLVR型種子顆粒：美國TSI公司生產的直徑10 μm鍍銀空心玻璃球，密度為1 150 kg/m3。

610015型導光臂：由美國TSI公司生產，包括多關節導光臂一套(每關節均可360°旋轉，全展開長度可達1.8 m)和鏡頭基座一套，導光率95%。

其他部件：610070型窄帶濾鏡，由美國TSI公司生產，三腳架和軸編碼器型號分別為Tripod和Shaft encoder，另外，為保護激光器等試驗儀器，安裝空調對室內環境的濕度和溫度進行嚴格控制。

1.3 HDVS模型

本文所研究的渦旋分離器結構簡圖如圖3所示[5]。

圖3 渦旋分離器結構簡圖Fig.3 Geometric model of HDVS1.擾流板 2.套筒 3.進水口 4.錐體 5.排空口 6.沉積倉 7.中心錐體 8.外筒壁 9.出水口

渦旋分離器的內套筒內部設計有擾流板，以便改善內套筒內部流場，提高其內部的顆粒沉降性能。為便于開展PIV試驗，本試驗涉及的模型用有機玻璃加工[14]。同時，為降低渦旋分離器圓柱壁面對光的折射影響，在渦旋分離器的外圍加工一個正方體護罩，關鍵尺寸DO、DOF、DIN、H1、H2、H3、L分別為0.15、0.025、0.02、0.2、0.042 5、0.035、0.015 m，具體模型如圖4所示。

圖4 PIV試驗用渦旋分離器實物模型Fig.4 Model of HDVS for PIV experiment

2 試驗方案

2.1 測量工況

水力停留時間是環境工程中水處理裝置的重要指標，本文主要指養殖水體在渦旋分離器內的平均停留時間。由于渦旋分離器的有效體積一定，則進水口進水速度越快其相應的水力停留時間越短。針對水力停留時間為248、83、49 s(即較慢、中等和相對較快)3種典型渦旋分離器工況進行PIV試驗測量[7]，所研究的區域如圖5所示，其中，縱截面與渦旋分離器出水口方向垂直。

圖5 研究區域設置Fig.5 Region of interest extract

由于渦旋分離器內部流動比較復雜且受到隨機脈動和周期性運動的影響，其中，對于后者可運用軸編碼器進行消除，而對于前者其主要表現為，測試結果隨著采用時刻變化而改變，故可對測量結果取平均來削弱此因素的影響。主要采用相位平均法，即在同一工況下相同相位處拍攝N幅流場，將這N幅流場按坐標進行相平均得到流場的平均流速。其具體過程為：試驗過程中，對各個工況采樣1 000幀，隨后在其后處理時，對各工況相應的1 000幀的瞬時速度分量直接進行算術平均計算，進而可獲得各工況相應的軸向平均速度、徑向平均速度及渦量等物理量[7]。

2.2 相關設置

2.2.1查詢區

查詢區越小，對應所獲得的矢量圖就越能夠代表研究對象內部的真實流動[15]。這主要是因為查詢區中心的瞬時速度是用查詢區內流場的平均速度來近似表征的，進而由中心瞬時速度來表示相應流場當前位置的速度矢量，故查詢區過大必將導致中心瞬時速度的結果誤差過大，特別是對于速度梯度較大的流動，相關峰的位移也將變大，峰值將降低，進而造成一定的測量噪聲，影響測量精度。另外，為了獲得更精確的流動細節，有學者認為查詢區內通常要包含10個以上的示蹤粒子[16]。雖然查詢區域面積的增加可以大大增加查詢區域內粒子的數量，但一定要確保查詢區足夠小，綜合當前學者研究結果及試驗測試，本試驗設置查詢區分辨率為48像素×48像素[17]。

2.2.2脈沖激光時間間隔

圖6 不同水力停留時間下速度矢量分布Fig.6 Velocity vector distributions at different HRTs

粒子示蹤技術是PIV技術粒子識別的主要原理依據，因此，在對粒子識別過程中存在可識別速度的極限值，當位移大于一定閾值時，粒子的識別過程會產生一定的誤差。脈沖激光時間直接影響示蹤粒子的移動范圍，原則上要求粒子單次測量的移動極限位移應小于查詢區域大小的1/4，同時，其在垂直方向上的移動極限位移應小于片光源厚度1/4。從四分之一準則出發， 國內相關研究人員認為利用系數增量葉端線速度估算速度最大值，可以根據試驗標定文件中的成像空間分辨率和選擇的待用查詢區間大小計算出粒子物象在1/4個區間寬度中所需要的估算時間，然后再計算出粒子運動1/4個片光厚度所需要的時間，取二者最大值為時間間隔值最大值，試驗過程可以設置極大值作為設置初始值[15]。經計算和實測，最終圖像采集時脈沖激光時間間隔設置為1 400 μs。

2.2.3示蹤粒子

示蹤粒子是試驗開展的基礎，流場的速度就是通過測量不同時刻粒子的位置來獲得的。常見的示蹤粒子有聚苯乙烯、熒光粒子、尼龍粒子和鍍銀空心玻璃珠等，本文選擇TSI公司配備的鍍銀空心玻璃珠，其次粒子的跟隨性直接影響測量精度，對選取的鍍銀空心玻璃珠跟隨性情況進行分析，則有

式中μ——水粘度，kg/(m·s)

dp——示蹤顆粒的直徑，m

ρp——示蹤顆粒的密度，kg/m3

τs——示蹤顆粒時滯時間，s

根據公式得出停留時間約為0.6 μs，與激光脈沖延遲時間1 800 μs和時間間隔1 400 μs相比很小，則可以認為該示蹤粒子在水中跟隨性較好。粒子大小確定后需要確定粒子的數量，如前文所述，圖像采集過程中要保證每個查詢區內粒子數量不少于10個，可通過試驗測試拍攝調節粒子濃度，在保證相機相對位置合理，獲取的每個粒子成像飽滿清晰時，適量逐步增加粒子投放量，且保證每個查詢區的粒子數量均勻且適量，如果粒子出現膨脹或者團聚等現象時，試驗就必須重新換用新的工作流體。

2.3 數據處理

通過服務器機組內接數據采集卡和外置同步器，實現對整套硬件系統的遠程可視化控制，并具有Mask多種提取方式和內嵌算法，同時，外接Tecplot程序實現流場矢量圖像顯示。通過后處理可獲得各點平均速度、分速度和渦量特性參數等。

3 結果與分析

3.1 速度矢量分布分析

渦旋分離器速度場分布的分析有助于間接評價渦旋分離器分離性能。不同水力停留時間下渦旋分離器內顆粒的速度矢量分布如圖6所示，其中，不同水力停留時間下的速度矢量進行歸一化處理，即速度矢量圖中箭頭大小相同，以便于觀測渦旋分離器內二次流等現象。將渦旋分離器研究區域劃分為a、b、c、d、e 5個區以便進行對比分析。

由圖6可知，d區是渦旋分離器的中心錐體，正如圖2所示，該區由于其結構復雜，壁面較多，切表面為弧形，雖然切除了中心錐體壁面存在的區域，但其周邊由于光散射較強，速度矢量結果依然有一定誤差，此處不做過多分析。a和c區域為渦旋分離器內套筒外部流場區域，該區3種水力停留時間下的速度方向大致相似，由此可知，對于本文研究的渦旋分離器其外流場的旋流功能相對較強，而顆粒的分離需要依據該部分旋流，一定范圍的旋流作用下對于生物絮團顆粒的分離是有利的。同時，也可以清楚看到內套筒筒壁的影響隨著水力停留時間的加快而更加明顯。對于渦旋分離器沉積倉e區，當水力停留時間較長時流場相對雜亂，但通過實際觀察，該區湍流并不強，這也主要是由于該圖僅反映了速度方向，其速度相對較小，因此采用固定的脈沖時間間隔測得速度方向誤差較大些。由圖6b和圖6c清晰看到，e區流場速度方向分布基本相似。對于研究重點b區，由圖可知，不同水力停留時間下，b區左下角和上部區域均表現一定的渦旋，同時隨著水力停留時間加快，中間內套筒內的顆粒速度方向大致相同，只在筒壁附近產生小的二次流，理論上講，該區流速也是逐漸增大的，隨著此處速度增加，由伯努利原理可知，該處動壓降低，導致沉積倉內混合液向該區流動的趨勢，不利于顆粒的沉積，進而影響分離效率。

圖7(圖中u表示橫坐標軸方向速度，v表示縱坐標軸方向速度)為顆粒分速度分布的散點圖，該圖與圖6反映出的3種水力停留時間下速度分布的規律相似，同時，由圖可清晰看到，右側散點要多于左側，即表示向橫坐標軸正向速度的顆粒分布較多，而兩分速度相差較大的顆粒點的數量較少，說明顆粒處于旋流向上或向下的狀態，并且旋流向下的顆粒多于向上的顆粒。

圖7 不同水力停留時間分速度分布散點圖Fig.7 Velocity probability distributions at different HRTs

3.2 速度分布分析

圖8為顆粒在該平面的合速度概率統計圖，圖中主縱軸坐標表示某一速度的顆粒數量。

圖8 不同水力停留時間合速度概率分布圖Fig.8 Velocity probability distributions at different HRTs

由圖8可知，對于3種水力停留時間的渦旋分離器，在所觀察截面處顆粒速度分布規律相似，速度分別集中在0.035、0.045、0.050 m/s之內，并分別在0.014、0.018、0.020 m/s處的速度量占據比例最高，由此可以看出，雖然三者水力停留時間是1∶0.33∶0.2的比例，但它們的最大速度以及占據最大比例的速度均與水力停留時間的比例有一定差距，這主要是因為隨著水力停留時間的減小，渦旋分離器內整體速度加快，因此湍動能耗增加，但三者最大速度與占據最大比例的速度之間的比例基本一致。由此可為分析流場內顆粒速度提供參考。

通過軸向速度的分布可以分析流體質點或分散相顆粒進入渦旋分離器后的運動軌跡，并根據軌跡變化的規律來預測渦旋分離器的分離效率，分析流場和分離效率的影響因素等[18]。圖9為不同水力停留時間下渦旋分離器的軸向速度概率分布圖，由圖9可知，3種工況下，軸向速度分布相似，均表現出速度最小的顆粒占比最高，且累計分布函數曲線相似。另外，隨著水力停留時間加快，當水力停留時間小于83 s時，上行顆粒和下行顆粒數量相近，此時速度的進一步增大將對分離效率的影響逐漸降低，但隨著水力停留時間加快能耗將會增大，因此水力停留時間選擇應大于49 s。

圖9 不同水力停留時間軸向速度概率分布圖Fig.9 Axial velocity component probability distributions at different HRTs

在渦旋分離器內的流場中，徑向速度與其他兩個方向的速度相比較小，因此其對分離效率的影響也相對弱些[7,19]。圖10給出了不同水力停留時間條件下，徑向速度的概率統計圖。由圖10可知，相對于圖9的軸向速度分布，徑向速度多集中在速度較小區域，且隨著水力停留時間降低，較小速度的占比增大，這和其他常規水力旋流器表現出的現象相似。同時，對于3種水力停留時間，顆粒速度沿中心和壁面方向的速度占比大致相同，這和其他研究學者的結論相同[20]。

圖10 不同水力停留時間徑向速度概率分布圖Fig.10 Radial velocity component probability distributions at different HRTs

3.3 渦量分布分析

渦量又是一個重要的整體參數，它表示測量面上各個位置渦的強弱，渦量也是唯一人為規定的矢量，它的構成基于一個渦流(也許是一個微小的元渦)，可稱其為復合型運動流體矢量的集合。為與轉動方向相區別，渦量的方向可通過右手定則確定，它是微渦的軸線方向，與該渦流運動元的運動趨向完全無關。

圖11表示不同水力停留時間條件下渦量概率分布圖。從圖11中可以看出，水力停留時間為248 s時，流場渦量均比較小，-12～0 s-1或0～12 s-1之間渦量區域占了大約50%，而在83 s時50%的區間范圍有所擴大，當水力停留時間為49 s時，渦量分布趨向均勻。另外，對于各種工況下順時針和逆時針渦量基本相同?？傮w而言，隨著水力停留時間加快，渦量的分布趨向均勻，即高渦量區域逐漸增加。而渦旋的產生伴隨著機械能損耗[21]。故在保證一定分離效率情況下不利于節約能耗，同時，高強渦旋會使顆粒懸浮其中，雖然增加了顆粒停留時間，但并不能將其分離，對于分離效率的提高意義不大[5]。

圖11 不同水力停留時間渦量概率分布圖Fig.11 Vorticity probability distributions at different HRTs

4 結論

(1)經過PIV的測量表明：對于渦旋分離器的圖像采集時脈沖激光時間間隔設置為1 400 μs時，效果相對較好，但由于激光能量一定，其穿透能力有限，因此，對于復雜結構，PIV試驗所獲得的結果依然有待改進。

(2)不同水力停留時間條件下，渦旋分離器內套筒內部區域的左下角和上部區域均表現一定的渦旋，同時隨著水力停留時間的加快，當水力停留時間達到49 s時，中間內套筒內的顆粒速度方向大致相同，只在筒壁附近產生小的二次流，同時沉積倉內的顆粒速度方向趨于一致，而軸向和徑向的合速度變化并不大，且不同速度占據的比例相同。

(3)對于不同工況下順時針和逆時針渦量基本相同。另外，水力停留時間越慢，流場的渦量就相對越小，并隨著水力停留時間加快，相應的高渦量區域也逐漸增加，當水力停留時間為49 s時，渦量分布趨向均勻。