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PIV技术范文

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来源：火烈鸟

作者：开心麻花

2025-09-19

PIV技术范文（精选4篇）

PIV技术第1篇

关键词：曝气池,活性污泥法,示踪粒子

1. PIV技术原理及背景

PIV是70年代发展起来的一种测试流体力学的方法, 充分吸收现代计算机技术、光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段。[1]它不仅能够提供瞬时流场的定量信息, 而且能显示流场流动的物理形态, 使流动可视化的研究飞速发展, 是现今流体力学实验发展中的一个里程碑。

任何形式的PIV技术测量都是依赖于投放在流场中的示踪粒子, 在自然光或激光光源的照射下, 通过成像技术 (摄像或录像) 来记录这些示踪粒子的运动轨迹, 利用计算机软件对影像进行一系列的转换处理, 从而得出流场的分布状况。因此利用PIV测定流场时, 示踪粒子的选择尤为重要, 它必须满足以下条件:

⑴尺寸足够小⑵较好的光散射效果⑶比重要尽量与所测液体比重一致⑷亲水性较好⑸颜色鲜艳明亮, 在后期图片处理中能很容易的识别出来

2. 实验装置

曝气池模拟反应器:本实验采用10mm厚的有机玻璃板特制了一套曝气池模拟装置, 高800mm, 宽600mm, 厚150mm, 有效填充体积50L。曝气管长15cm, 曝气孔共30个, 每个间隔0.5cm。

流量计:改变曝气量大小

高清摄像机:摄录反应器内示踪粒子运动轨迹

空气压缩机:通过其对反应器底部曝气来研究曝气池的流动特性

投影屏幕:放置于反映器后面, 由于自然光的反射光很强, 会对示踪粒子本身较弱的散射光产生干扰, 放置投影幕能够大大降低反射光对粒子散射光的干扰, 也可以增加示踪粒子与背景的对比度, 为后期图片的处理提供了方便。

3.实验及讨论

3.1光源选择

光源选择对拍摄的影响至关重要, 照片效果的好与坏跟可见光的运用有着密切的关系。本研究经过多次实验, 采用自然光作为光源, 选择最适宜的拍摄时间在中午11时左右。在自然光下拍摄时, 应注意拍摄对象的照度要均匀, 尽量避免周围景观的投影跟反光, 避免图像中出现特黑或是特亮的现象。

3.2 示踪粒子选择

目前, 在研究水动力学的PIV实验中, 常选用的示踪粒子主要有:聚苯乙烯颗粒、二氧化钛颗粒、玻璃微珠、花粉等[2]。本次实验选择聚苯乙烯小球作为示踪粒子, 直径在100-200μm之间, 并用红色油性Mark笔将小球表面均匀的图上颜色, 这样做的目的是在后期处理图片时能快速的将小球颜色提取出来。将染色的小球放置在自来水中24小时, 以提高其适水性。投放示踪粒子的数目要根据反应器大小而定, 尽量保证被测区域内粒子分布均匀。粒子也不能太多, 否则会出现重叠、雾化现象, 对测量结果有影响。本次试验投入小球30个。

3.3 实验步骤

⑴将实验模型推到实验场地, 连接好管路跟实验装置, 向反应器内注入自来水, 关闭进水阀。⑵将示踪粒子投入反应器, 空气压缩机通电, 通过流量计将曝气量调至2.0, 使反应器先曝气一小时左右, 这样做的目的是进一步增强示踪粒子的适水性, 消除示踪粒子表面附着的气泡。⑶找好反应器的中心点, 用Mark笔标记, 调节摄像机镜头, 使焦距对准中心点, 使镜头轴线与反应器成90。角。⑷待光线最佳、流态稳定后打开摄像系统, 通过调整摄像机的光圈、快门速度、曝光强度、焦距等参数, 使拍摄效果达到最佳。在确认拍摄效果可以后将影像保存至硬盘中。⑸对保存的影像进行处理, 转换成像素为800600的图片, 用计算机软件提取出图片中的示踪粒子运动轨迹。示踪粒子的运动轨迹即能基本描述出反应器内液体的流态。下图为提取出来的示踪粒子轨迹。

4. 结论

⑴设计了一套曝气池实验模型装置, 该装置可以观测曝气气泡及液体的流态。⑵当水深及曝气孔眼孔径相同时, 曝气量的改变对气泡大小及流速起着重要的作用, 当曝气量增大时, 气泡越多, 流速越快;反之, 气泡量越少, 流速越慢。⑶研制了一种适合PIV实验的示踪粒子, 经济实惠, 表面反射率强, 跟随型好, 方便图片后期处理。

参考文献

[1]曝气池中气液两相流粒子图像测速技术及逆解析研究刘晓辉2006.3

离心泵PIV测量速度处理软件开发第2篇

由于具有全流场快速测量、直观、不干扰流场等优点,PIV(Particle Image Velocimetry)在离心泵内部流动研究中得到了较为广泛的应用[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。而PIV测量得到的仅是绝对速度,无法获得其他任何数据。因此,有必要对PIV测量速度进行处理,如:杨波[7]和赵斌娟[8]采用自编程序对PIV测量得到的绝对速度进行处理,从而得到了离心泵叶轮内的相对速度。笔者[9,10]根据速度三角形,编写了3D PIV速度合成程序,将测量的绝对速度与圆周速度合成得到相对速度。目前国内离心泵PIV测量速度处理程序功能较少,不能完全反映泵内的流场分布。

为了获得分析区域、圆周或点上的相对速度、轴向速度、动压、角动量、无量纲速度、绝对液流角、相对液流角等,本文在Windows平台上,采用Visual C++ 2010开发了能够处理2D PIV和3D PIV的离心泵PIV测量速度处理软件。

1 速度三角形

速度三角形是研究在离心泵叶轮内液体流动的重要工具,如图1所示。

1.1 圆周速度u

叶轮内任意点的圆周速度方向与所在点的圆周相切,其计算公式如下:

$u = \frac{D π n}{60} (1)$

式中:n为转速;D为所求速度点的直径。

1.2 绝对速度v

液体在叶轮中的流动较为复杂,叶轮内各点的绝对速度值v可以通过PIV测量得到。

1.3 相对速度w

相对速度w由PIV得到的绝对速度v与圆周速度u合成得到。分别沿着x轴和y轴将v和u分解成vx、ux、vy、uy,图示中该质点的相对速度分量wx=-(ux-vx)、wy=-uy+vy,则相对速度w为 $w = \sqrt{w_{x}^{2} + w_{y}^{2}}$ 。

1.4 相对液流角和绝对液流角

由速度三角形,根据u、v、w可计算出叶轮内的绝对液流角α和相对液流角β:

$\begin{array}{l} α = \cos^{- 1} (\frac{v^{2} + u^{2} - w^{2}}{2 v u}) (2) \\ β = \cos^{- 1} (\frac{w^{2} + u^{2} - v^{2}}{2 w u}) (3) \end{array}$

1.5 动压

根据v可计算出叶轮内的动压P动:

$\frac{Ρ_{动}}{ρ g} = \frac{v^{2}}{2 g} (4)$

1.6 角动量

由速度三角形,根据u、v、w可计算出叶轮内的圆周分速度vu:

$v_{u} = u - w c o s β (5)$

从而计算出叶轮内的角动量rvu。

2 软件开发

2.1 软件开发方法

MFC(Microsoft Foundation Class)是一个微软公司提供的类库,以C++类的形式封装了Windows API,并且包含一个应用程序框架,以减少应用程序开发人员的工作量。Visual C++包含了MFC应用程序向导,因此本文采用Visual C++ 2010开发离心泵PIV测量速度处理软件。

采用该技术开发的离心泵PIV测量速度处理软件中“打开文件目录”的关键代码如下:

Radio2D=((CButton *)GetDlgItem(IDC_2D))-> GetCheck(); //选中2D PIV按钮

if(Radio2D==1)

{

CString szFilters=_T("2D Vector Files(*.vec)| *.vec|文本文档(*.txt)|*.txt|Microsoft Office Excel工作簿(*.xls)|*.xls|All Files(*.*)|*.*||"); //设置打开文件的格式

CFileDialog fileDlg(TRUE,_T("vec"),_T(" *.vec"),OFN_FILEMUSTEXIST|OFN_HIDEREADONLY,szFilters,this);

if(fileDlg.DoModal()==IDOK)

{

pathName1=fileDlg.GetPathName();

m_DK.SetWindowText(pathName1);

}

2.2 软件功能

图2给出了离心泵PIV测量速度处理软件的主界面。从中可以看出,该软件不仅可以处理2D PIV测量速度,还可以处理Stereo 3D PIV测量速度,进而获得分析区域上、圆周或点上的相对速度、轴向速度、动压、角动量r vu、无量纲速度(w/u、v/u、vm/u、vu/u)、绝对液流角、相对液流角等相关信息。

3 处理结果

图3(a)给出了一台双叶片离心泵在设计工况下PIV测量的绝对速度分布。采用该软件对其整个分析区域进行处理,得到了设计工况下叶轮流道内的相对速度分布、w/u分布、相对液流角分布、动压分布、角动量分布,分别图3(b)～3(f)所示。

双叶片离心泵的叶轮流道示意图如图4(a)所示。采用该软件对流道内5个半径上的绝对速度进行处理,如图4(b)所示。为了进一步比较设计工况下双叶片离心泵叶轮内部流动情况,采用该软件对叶轮内不同半径r上w/u、相对液流角、动压以及角动量进行了处理,并采用算数平均法进行分析,其中r分别为0.4R、0.425R、、0.975R、R。

图4(c)给出了叶轮内不同半径上平均无量纲相对速度w/u的变化趋势,它随着半径的增大平均w/u先减小后增大。图4(d)给出了叶轮内不同半径上平均相对液流角的变化趋势,它随着半径的增大先减小后增大再减小,出口处的平均相对液流角最小。图4(e)给出了叶轮内不同半径上平均动压的变化趋势,它随着半径的增大先增大后减小。图4(f)给出了叶轮内不同半径上平均角动量的变化趋势,它随着半径的增大而增大。

采用离心泵PIV测量速度处理软件对双叶片离心泵叶轮流道1的三维绝对速度分布进行处理,得到了其三维相对速度分布(如图5所示)。

4 结语

在Windows平台上,采用Visual C++ 2010开发了离心泵PIV测量速度处理软件。采用该软件对设计工况下双叶片离心泵叶轮流道内的绝对速度分布进行了处理,从而得到了叶轮流道内的相对速度、w/u、相对液流角、动压、角动量等分布,并采用算数平均法得到了叶轮内不同半径r上平均w/u、相对液流角、动压以及角动量的变化趋势。处理结果表明,该软件功能较为齐全,能够对不同比转数的离心泵PIV测量速度进行处理。

摘要：针对离心泵内流PIV测量仅能得到绝对速度的问题,根据速度三角形,采用Visual C++2010开发了能够处理2DPIV和3DPIV的离心泵PIV测量速度处理软件。采用该软件对双叶片离心泵叶轮内的绝对速度分布进行了处理,得到了叶轮流道内的相对速度、无量纲相对速度、相对液流角、动压、角动量等分布,并得到了不同半径上平均无量纲相对速度、平均相对液流角、平均动压以及平均角动量的变化趋势。结果表明,该软件能够处理不同比转数的离心泵PIV测量速度。

关键词：离心泵,PIV,速度处理,软件开发

参考文献

[1]Wu Yulin,Liu Shuhong,Yuan Huijing,et al.PIV measurementin internal instantaneous flows of a centrifugal pump[J].ScienceChina-Technological Science,2011,54(2):270-276.

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[3]Benra FK,Dohmen HJ,Sommer M.Flow field visualization of asingle-blade centrifugal pump using PIV-Method-comparison tonumerical results[J].Journal of Visualization,2006,9(4):358.

[4]Day SW,McDaniel JC.PIV measurements of flow in a centrifugalblood pump:Steady flow[J].Journal of Biomechanical Engineer-ing-Transaction of the ASME,2005,127(2):244-253.

[5]杨华,汤方平,刘超,等.离心泵叶轮内二维PIV非定常流动测量[J].农业机械学报,2011,42(7):56-60.

[6]邵春雷,顾伯勤,黄星路,等.低比转速泵叶轮流道内部流动的PIV试验[J].航空动力学报,2010,25(9):2091-2096.

[7]杨波,许友谊,刘栋,等.离心泵叶轮内流场PIV研究[J].水泵技术,2006(4):12-14,18.

[8]赵斌娟,袁寿其,刘厚林,等.双流道泵内非定常流动数值模拟及粒子图像测速测量[J].机械工程学报,2009,45(9):82-88.

[9]Wang Kai,Liu Houlin,Yuan Shouqi,et al.Numerical simula-tion and stereo PIV test of inner flow in a double blade pump[C]∥Proceedings of ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Con-ference/AJK2011-06062,July 24-30,Hamamatsu,Japan,2011.

PIV技术第3篇

碟式分离机是一种高效的分离机械, 广泛应用于农业、船舶、冶金及化工等各个行业, 提高其效率、降低能耗对国民经济发展具有重要意义。由于其转鼓高速转动造成其内部的流场也在离心力作用下发生旋转, 而转鼓内碟片间的两相液体主要受到离心力和重力双重作用, 使固-液两相物质发生分离, 这种特殊的机械结构使得碟式分离机内流场成为流体机械中最复杂的流场之一。要提高碟式分离机分离性能关键是要清楚地认识其内部的真实流动本质、流动结构以及能量的损失机理。目前, 除了可利用CFD软件对分离机械内部流动进行数值模拟之外, 还可依靠不断发展的流体测试仪器和先进的流场显示技术进行试验研究。

20世纪80年代末、90年代初发展起来的粒子图象测速技术 (PIV) , 在不接触被测流场情况下, 可获得流场内某一瞬时的流动信息。PIV技术突破了单点测量的限制, 并具有可与激光测速技术 (LDV) 相比拟的精度和空间分辨率, 集“流动可视化” 与“定量测量”为一体, 倍受研究人员的青睐。使用PIV技术进行高速内部复杂流动现象的测量日益成为其应用的重要方面, 并取得了令人鼓舞的成果。目前PIV的采样频率 (15 Hz) 已能部分满足这一复杂流场的瞬时速度的定量检测, 并可以实现全面、高精度的流场刻画。本文将PIV测试系统引入到碟式分离机转鼓内流场的实验研究中, 为分析和解决碟式分离机的设计和优化提供重要的依据。

1用于碟式分离机内流场测量的PIV系统

用于碟式分离机内流场测量的PIV系统由成像系统、分析显示系统和同步控制系统3个子系统组成, 如图1所示。其中, 成像系统由3台相机及测试光源构成, 根据同步控制系统信号采集碟片间示踪粒子的运动图象, 再由专业分析软件对示踪粒子的运动进行分析处理, 显示出测量区域流场状况。测量中需根据被测机械自身的特点, 实现对机械内流场的成功测试, 因此, 必须根据被测对象对测试系统的光路进行合理的修改, 流场示踪粒子的选择也需精心考虑。而三维立体PIV系统相对二维PIV系统增加了一台相机和相应的标定程序, 3台相机3点拍摄。从相机的不同的视角观察, 对于每个测试区中的点, 每台相机都能得到一个速度矢量, 对同一点的这些矢量进行综合分析, 最终得到该测试点的一个三维速度矢量, 从而得到流场的三维运动图象。

1.1 测试光源的产生和引入

测试光源是连续激光源产生并通过光斩波器而成的高强度脉冲光束, 其光学元件包括柱面镜和球面镜, 准直了的激光束通过柱面镜后在一个方向内发散, 同时使用球面镜来控制片光的厚度, 照亮测试区中的示踪粒子。对一般的流场测量PIV系统, 常常采用Nd∶YAG激光器作为光源。这种激光器波长仅为532 nm, 每个脉冲能量可达0.2 J, 脉冲宽度为15 ns, 能发射连续脉冲光, 它足以照亮测试中的亚微米级粒子。由于碟式分离机转鼓内部结构复杂, 为了将片光导入测试区, 同时要保证内流场不被扰动, 激光也要有足够的强度等条件。在考虑到光臂的伸缩幅度要求和光路传输要求的同时, 还要对测试模型结构的作适当的改变, 以获得比较好的测量结果。

1.2 示踪粒子的选择

PIV测速依据速度的原始定义进行:

$u (x, t) = \frac{Δ x (x, t)}{Δ t}$

一个示踪粒子在t时刻位于x处, Δt内的位移用Δx表示, 当Δt0时, 粒子的Lagrange速度可以与Taylor速度相比拟, u (x, t) 即为该示踪粒子的瞬时速度。忽略跟随性误差, 可认为u (x, t) 是流体质点的瞬时速度。由此可知, 进行成功试验的一个关键要素是对示踪粒子的选择。由于碟式分离机需要分离固液两相流, 通过向其中添加示踪粒子反映测试对象内部固相粒子的流动状态。对示踪粒子的要求可以总结为粒子具有良好的跟随性和散射性及查问区内有足够多的粒子数。示踪粒子主要有固态型和液态型两种。PIV试验常选用TiO2 、Al2O3、PSL颗粒以及硅油粒子等作为流场显示的示踪粒子, 根据测量对象选择粒子直径的大小材料, 使得流场定量测试得到令人满意的结果。

1.3 图象采集

PIV 测试系统中图象记录媒介有电子照相机和普通照相机2种。电子照相机包括电视摄像机、固态充电耦合装置 (CCD) 和固态光敏二极管阵列相机。虽然普通相机和所用的感光胶片具有较高的分辨率, 但测试粒子由胶片记录其流动时, 虽然空间的分辨率比较高, 但无法实时观察结果, 并且后续处理的工作相当繁琐, 且效率较低。相比之下, 现在空间分辨率达3 060像素2 036像素的CCD使数字摄像机也具有与胶片可比的灵敏度, 并且处理效率高, 使用方便, 正逐步代替感光胶片记录。CCD将图象的光信号转换为电信号, 然后直接传送给计算机中的帧抓取器, 由帧抓取器读取被数字化的粒子影像, 并将该信息直接传送给图象分析处理系统。这样, 不仅可以及时显示图象, 而且可同时判断试验的参数 (如光能的强弱、测试粒子的浓度等) 的配置是否合理, 同时也能迅速得到需要的试验结果。

1.4 数据的分析及处理

通过对图象采集系统得到的查问区内具有256个灰度级粒子的图象进行统计平均分析, 可获得整个被测流场的速度信息, 基本的图象分析过程如图2所示。从理论上看, PIV图象的分析处理算法有自相关分析法和互相关分析法2种。

采用互相关分析法可有效解决速度方向不模糊的问题。利用数字摄像机拍摄的2组图象进行相关处理, 每一帧用一个激光脉冲捕捉, 由于2帧之间的时间秩序是已知的, 速度方向模糊的问题可以得到解决, 可准确地判断其粒子的流动方向。即使在图象质量较差的情况下, 采用互相关分析也能得到较好的结果, 这些特点使它更适用于复杂流场的测量。但是, 使用互相关分析要求所用的2帧粒子图象之间时间间隔很小, 这就对图象获得速度, 即帧速率提出了较高的要求。根据Adrain提出的PIV试验参数遵循准则, 在2个脉冲间隔, 粒子的最大位移应小于等于1/4的查问域, 很多使用35 mm胶片的照相机以及高分辨率的CCD相机的帧速率不适合用于测试, 比如标准的RS-170帧速率为30 Hz, 采集图象之间的时间间距为33 ms, 仅能测量低速流动。为了提高有效的帧速率, 提出了“跨帧”技术, 即在第一帧结尾发射一个脉冲, 在第二帧开始发射第二个脉冲, 这样可以保证1对图象之间的时间间隔在1 μs以下, 使测速范围可达600 m/s以上。为了方便使用, 与PIV硬件系统配合的软件包往往集测量控制和数字图象处理为一体, 如美国TSI公司开发的具备批处理功能、可快捷得到瞬态的矢量场、涡量场、流线图以及切应变速率等参数分布的Insight软件。

2PIV技术在流动测量中的应用

由于PIV 技术能精确定量地测得被测试区域的流动图谱, 人们具有了对测试对象内部流动现象的本质进行深入理解的可能。同时, 通过PIV 实验所测量获得的大量精确数据与各种流体仿真软件 (如fluent软件、star-cd等) 的计算结果进行相互验证, 也有利于提高相关软件仿真程度。目前, 在固体成像器件和相关处理软件飞速发展的支持下, PIV技术也获得较快的发展 (如美国TSI公司开发的可进行微小环境测量的Ultra-PIV 系统和Micro-PIV系统) , 其应用也被积极扩展到新的领域。目前, 二维的PIV测试技术应用已基本成熟, 如采用二维PIV瞬态流场测试技术和环形喷管, 对水槽内法向面上一个截面上的速度矢量场和涡量场进行测量, 定量分析不同雷诺数对速度场和涡量场的影响, 描述水槽内涡旋的形成及其影响因子, 分析涡旋流场强化传质的本质。但是, 对不同的测试对象来说, PIV技术并不是全面有效的, 有必要进一步对PIV的应用范围和应用深度做更多的研究, 扩展具体的应用领域。

3结语

PIV测试技术因非接触、高精度已逐渐成为常规的实验手段, 逐渐在流体机械内部流场的测量中得到应用, 但PIV测量的结果在一定程度上也取决于操作者的水平和使用经验、对示踪粒子释放的控制、激光片光源的质量, 被测物固体边界上反射光的处理方法对测试结果的影响都有很大。可以预期, PIV测试技术必然会朝着使系统更加简单、更加便于用户使用的方向发展。

摘要：将粒子图象速度场仪 (PIV) 引入到碟式分离机内部复杂流动的测量中, 分析了针对流体机械内流测量的三维PIV系统的结构特点, 探讨了对碟式分离机特殊结构下测试光源、示踪粒子以及图象采集系统、数据分析与处理等的设计, 概括了目前在流体机械测量方面已取得的研究成果。最后预期了PIV测试技术未来的发展方向。

关键词：内流场测量,分离机械,粒子图象测速,PIV

参考文献

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[3]孙鹤泉, 沈永明, 王永学, 等.PIV技术的几种实现方法[J].水科学进展, 2004, 15 (1) :105-108.

[4]杨华, 刘超.采用PIV研究离心泵转轮内部瞬态流场[J].水动力学研究与进展, 2002, 17 (5) .

[5]冯涛, 周颖, 邹正平, 等.向心涡轮内部流动数值模拟分析[J].航空动力学报, 2006 (3) .

PIV技术第4篇

文献【2】研究了一种在旋流式气液分离器的基础上增加了稳流器和折流板的组合式气液分离器, 并通过相位多普勒粒子分析仪PD PA (Phase D oppler Particle A nalyzer) 对该分离器的分离效率进行了研究[2]。但相位多普勒粒子分析仪只能提供两相流中单点的信息以及时间平均意义上的流动结构, 常常会遇到对分散相和连续相信息无法区分的问题;而PIV (Particle Im age V elocim etry) 技术作为近些年来迅速发展的测量技术, 能同时提供每一相瞬时的、全流场的数据, 并能运用流体运动方程求解压力场、涡量场等物理信息[3]。E.B aum将PIV技术应用于内燃机内部三维瞬时流场湍流混合情况与燃烧过程, 为内燃引擎以及大涡模拟的发展提供了大量有价值的数据[4]。G runefeld应用PIV测试技术对紊态气液两相流各分散相速度场进行测量时, 测量误差小于2%, 低于标准的7%。通过PIV技术可以更好地了解内部流场的分布, 为分离理论提供实验依据。

1 试验

1.1 试验原理

试验采用美国TSI公司生产的PIV系统。该系统主要由脉冲激光器、同步器、C C D相机、片光源透镜组及图像采集分析系统等组成。PIV技术的基本原理就是在流场测试区域加入大量反光的示踪粒子, 然后用平面光照射测试面上的示踪粒子, 形成光照平面, 使用C C D设备成像方法记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔内获取的示踪粒子的运动图像, 得到PIV测量底片, 并运用D PIV图像处理技术处理底片, 通过相关性分析来识别示踪粒子的位移, 从而得到流体的速度场。通过现场PIV测试, 可以得到大量的原始图像信息, 应用PIV配套的IN SIG H TER-3D软件分析和后处理TEC PLO T软件进行相关的数据处理, 可得到选定区域的速度矢量图、流线图。PIV技术由于在图像处理方面的计算工作量非常大, 为减少计算工作量, 目前广泛采用的是一种D PIV快速傅氏变换法 (FFT) 。试验系统采用的D PIV技术, 针对所获得的图像使用反卷积和互相关技术进行处理, 处理速度快, 保证了测试精度。

该方法的基本原理就是把PIV试验得到的数字化图像当作二维信号场来进行分析处理, 这种二维信号随时间的变化进行离散分布, 此时再引入快速傅氏变换法对信号进行处理, 通过对两张连续图像中相对应判读小区域内互相关函数的计算, 从而得到两张图像中判读区域内粒子的平均位移量和粒子运动方向。

其中系统的调试是PIV测试的关键, 在实际试验过程中, 遇到的主要问题是示踪粒子的添加以及有机玻璃反光的问题。对于示踪粒子的添加需要经过多次调试才能得到最合适的效果。而通过在有机玻璃非测点附近竖立黑色挡板的方法可以有效避免相机出现大面积的曝光。

1.2 试验装置

图1为该组合型气液分离器的结构示意图, 该组合型分离器试验装置由3个主要组合元件组成, 包括旋流器、稳流器以及折流板式分离元件。气液分离器内部可分为为上部的气相区和下部的液相区;在分离器壳体上设置有进气口、出气口以及排液口;在进气口下部设置有旋流器, 在气相区的中部设置有稳流器, 在出气口处设置有折流板式分离元件。同时分离器试验段各部分均由有机玻璃制成以便于进行试验测试。分离试验段各个组成元件均采用螺栓连接, 便于拆装。其中稳流器由平行钢板组成。

2 结果与分析

通过前期研究, 发现在大水量下, 系统内会形成股液形态, 而且分离器在各种组合方式下, 其分离效率均非常高, 这种情况对分离器的效率研究意义不大。因此在后面的试验研究中只给定一种水量为10.44L/h, 且为雾化粒子形态。文献[2]对该气液分离器在有无稳流器的组合方式下进行了分离效率测试。其中分离器分离效率由式1) 得出:

式中:c1为进口处气液混合物中液态水含量;c2为出口处气液混合物中液态水含量。

可得两种组合方式在不同流量下的分离器分离效率对比曲线, 如图2所示, 分离器两种组合方式的分离效率曲线走势大致相同, 都呈现先降低后升高的趋势。在各种气体流量下, 有稳流器的分离器平均分离效率比无稳流器的分离器平均分离效率高。

本试验采用D PIV技术对分离器可测部分进行了流场测试, 分别将稳流器进口、稳流器出口设置为测试区域, 如图3所示。

图4、图5、图6为较低流量工况 (10m3/h、20m3/h、33m3/h) 下稳流器的进、出口流线图。图4显示了在10m3/h的低流量下, 稳流器进口处有一明显的漩涡和返流, 由图5、图6可看出, 随着气体流量的继续升高, 稳流器进口流场均相对稳定;在稳流器出口处, 整体流场都相对稳定, 没有明显的漩涡结构。出口流场好于进口流场, 稳流器起到了一定的稳流作用。

图7、图8、图9为较高流量工况 (40m3/h、53m3/h、64m3/h) 下稳流器的进、出口流线图。在较高气体流量下, 稳流器的进口流场有小范围的扰动, 在53m3/h流量下, 稳流器进口有一较小漩涡结构, 但不明显。在稳流器出口处, 整体流场均相对稳定。出口流场好于进口流场, 稳流器起到了一定的稳流作用。

综合图2分离效率对比图分析, 有稳流器的分离器平均分离效率比无稳流器的分离器平均分离效率高大约5个百分点。流体经过稳流器后, 一方面消耗了自身的能量, 另一方面流场被稳流器重新分布, 使其更加均匀, 有效地抑制了漩涡与回流的产生, 提高了稳流器后分离组件的分离性能。

3 结论

1) 通过PIV测试发现, 在10 m3/h的低流量下, 稳流器进口有一明显的漩涡和回流, 在20m3/h流量及以上, 进口流场均相对稳定。在稳流器出口, 整体流场均很稳定, 没有明显的漩涡结构。出口流场好于进口流场, 稳流器起到了一定的稳流作用。

2) PIV试验通过对稳流器进、出口流场的测试, 与PD PA试验得出的分离效率相互验证, 证明使用稳流器可以有效地改善分离器内部流场的分布, 特别是有效地缓冲了流体对稳流器后分离组件初始流场的冲击, 抑制并减少了漩涡与回流, 提高了稳流器后分离组件的分离性能。

中图法分类号TQ 0518;文献标志码A

摘要：数字粒子图像测速DPIV (Digital Particle Image Velocimetry) 技术是传统PIV (Particle Image Velocimetry) 技术的数字化方法。通过PIV试验对气液分离器中稳流器进、出口流场的测试发现, 在10m3/h的低流量下, 稳流器进口有一明显的漩涡和回流, 在20m3/h流量及以上, 进、出口流场均相对稳定, 说明稳流器可以有效地重新分布分离器内部流场, 抑制并减少漩涡和回流, 提高了稳流器后分离组件的分离性能。并与前期进行的PDPA试验得出的分离效率相互验证。

关键词：气液分离,数字粒子图像测速,相位多普勒粒子分析仪,稳流器,流场

参考文献

[1]任相军, 王振波, 金有海.气液分离技术设备进展[J].过滤与分离, 2008.

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