双进口涡向起旋流流场实验研究.pdf

双进口涡向起旋流流场实验研究 ＊ 黄书峰 沈恒根 东华大学环境学院, 上海 200051 摘要 通过实验的方法, 实测了双进口涡向起旋圆管内旋转流场, 得出圆管内各断面上旋转流场分布、旋转流的速度 分布、压力分布的特点, 并分析拟合得出旋流速度指数衰减的公式。 关键词 旋转流 流场分布 旋流数 衰减流 ＊东华大学博士生创新基金资助项目 旋转流是一种极为复杂的流体流动现象。本实 验通过涡向双进口起旋, 产生管内轴对称性较好的旋 转气流 ,对旋转流场进行分析研究, 得出旋转流场的 规律 、 特性 。 1 实验 1. 1 实验装置 实验 测试 管道采 用镀 锌铁 皮圆 管, 内 径为 300 mm,实验流体为空气。本实验起旋装置选用同 侧涡向双进口起旋器 ,旋转角度分别为 90 和 270 ,见 图1。起旋器的入口旋流数为6. 060 2。整个装置类 似于切向进气的直流旋风器。装置系统见图 2。本 实验中集流器流量系数的平均值为 μ 0. 96。 图 1 涡向双进口起旋器 1集流器; 2进风管; 3旋流起旋器; 4测试段; 5变径管; 6风量调节阀; 7风机; 8排气管。 图 2 圆管旋转流测定实验装置 1. 2 测试内容和方法 本实验采用五孔探针进行测量 。研究水平圆管 内断面上的流速及压力分布及其影响因素 。旋转流 测试的结果以速度场 、 压力场的形式表示 。轴对称结 构中的旋转流速度场可以分解为切向速度、 轴向速度 和径向速度 3 个分量 。旋转流流场的实验研究最终 都归结于这 3 个速度量及流场中的压力分布特性上。 实验进行双进口起旋的圆管内三维流场的测试,主要 研究圆管内各界面切向速度 Ut、 轴向速度 Uz和径向 速度 Ur的分布及静压和总压的分布, 分析各参量沿 轴向和径向的变化规律。 2 实验结果分析 2. 1 沿径向变化规律 在旋转管流中起决定性作用速度分量是旋转速 度,即切向速度分量 Ut。从实验结果来看, 在数值上 切向速度最大, 通过对切向速度和旋流强度的研究, 分析旋转管流的三维机理 。对数据采用无量纲处理 r ＊ r D 2r R ; z ＊ z D 2 ; U ＊ tUt U ; U ＊ rUr U ; U ＊ zUz U ; P ＊ jPj ρ U 2/2 ; P ＊ dPd ρ U 2/2 ; Γ＊ Γ 2πRUi 式中 U 圆管断面平均流速, 4Q π D 2,m s; Ui 进口起旋速度,m s; z 轴向距离,m ; Pj 静压,Pa ; Pd 动压,Pa ; Γ 环流量 ,m 2 s; D 圆管直径,m ; R 圆管半径,m ; Q 断面流量,m 3 s; r 断面测点至轴心的距离,m 。 根据实验测试结果研究发现 ,在充分发展段, 同 46 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 一截面上切向速度分布与回转式旋风分离器内切向 速度分布相似, 近似中心对称 。如图3 所示。切向速 度按径向可以分为两个区域, 即出于管轴中央的强制 涡流区和外面环绕的准自由涡流区 。 本实验 Re 6. 27 10 4 , 测得的部分截面上的切 向速度 Ut分布见图 4。 图 3 各截面切向平均速度分布 图 4 轴向各截面切向速度分布 从图中可看出切向速度 Ut的值尤其是最大值随 着轴向距离的增加而逐渐减小, 意味着旋流的衰减, 而且最大值出现的位置 rb随着轴向距离的增加也逐 渐减小,即切向速度的峰值逐渐向中心偏移。切向速 度越大,则气流承载的固体颗粒的运动能力及对承载 的颗粒产生的离心力也就越大 。 轴向速度 Uz的分布规律比较复杂 , 见图 5。主 要取决于起旋设备的结构形式。本实验测得同一截 面上 Uz呈近似轴对称马鞍形分布 ,分为 3层流动 ,中 心和外壁向下游流动 ,中间夹着一层向上游的环形回 流层 ,形成内、 外两个立面涡。在沿半径方向可看出, 轴向速度存在两个极值点 ,在近外壁处极值大于中心 区速度极值,这有利于运动到壁面的粒子的收集。由 图5 可看出 Uz的外壁极值点对应的半径大于 Ut极 值点对应的半径 。随着半径的减小 ,边壁粘性作用减 弱,旋流的惯性力作用相对增强 , Uz迅速增加达到一 极大值。由于切向速度很大的旋转运动 ,造成压力沿 径向减小方向迅速降低 , Uz也随之减小甚至出现回 流。随着轴向距离的增加 ,回流速度逐渐减弱 。 图 5 各截面轴向速度分布 理想情况下 ,旋转气流可以看成是有平面环形流 与平面点汇所组成。因而径向速度是向心的。根据 理想流体分析可知径向速度随 r 的减小而增大。径 向速度实测各点分布见图 6。在中心区径向速度迅 速减小,本实验测试结果显示径向速度分布规律不太 明显,轴对称性不是很好。由于径向速度量级较小, 实验方法和精度等因素对测试结果也有很大的影响。 图 6 各截面径向速度分布 图 7 和图 8 分别给出实测的沿程各截面上静压 分布和动压分布可以看出压力分布近似轴对称分布, 根据速度压力耦合相互制约的关系也可以验证本实 验所用起旋器形成的旋转流场基本轴对称分布。 图7 中可看出静压分布在各截面上呈现基本相同的 分布规律。从静压和动压分布可看出在压力梯度分 布沿径向变化先逐渐增大再逐渐减小。 2. 2 沿轴向变化规律 Itoetal 1979 实验得出定义为横截面上环流量的 旋流强度沿轴向按指数规律衰减。对各截面上的无 因次最大速度整理拟合见图 9。从初始值到 0. 5D 距 离时有一定的增加, 这与徐方成[ 4] 的测试结果相似。 47 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 图 7 各截面静压分布 图 8 各截面全压分布 然后最大切向速度再逐渐衰减 ,发现在 5D 距离处, 最大切向速度已衰减为初始切向速度的 78。从图 中可看出无量纲环流量因为在 2D 之前管段, 壁面边 界层主要为层流边界层, 轴向最大速度变化不大, 在 2D 管段后流动已发展成为充分紊流, 轴向最大速度 逐渐衰减。径向最大速度沿轴向不断衰减。总体上 速度分布及旋流强度沿轴向向下游呈逐渐衰减趋势。 同时根据实验数据对横截面上的无量纲环流量进行 拟合, 见图 10。可看出无量纲环流量在 5 倍管长处 已衰减为原来的 2 3 左右。从图中还可看出随着轴 向距离的增加, 无量纲环流量衰减减缓 。 图 9 无因次最大速度轴向分布 3 结论 通过测定双进口涡向起旋圆管流场实验 ,分析得 出如下结论 图 10 无因次旋流强度衰减曲线 1涡向起旋圆管流切向速度分布可分为强制 涡部分和准自由涡部分; 切向速度最大值沿管轴方向 在靠近进口的很短距离内先增加 , 再逐渐衰减, 近似 符合指数规律衰减 。径向速度分布在充分发展段呈 近似轴对称分布 ,各点径向速度向心, 在中心部分径 向速度突然降低 ; 2轴向速度与起旋设备结构相关 ,在径向上呈 马鞍形分布 ,存在环形回流区 ,即轴向速度在圆管内, 沿边壁和中心向前推进, 在交界区出现回流。 3旋流强度衰减沿轴向近似符合指数规律衰 减。根据实验拟合得 Γ ＊ w0. 3exp -3. 011 10 3z RgRe 4 应用 在工业生产中存在大量的高温烟气 ,这些废气排 放到大气中不仅污染环境而且造成大量能量损失。 因此 ,高温烟气的除尘和余热回收是环保节能的一个 重要的课题 。涡向双进口起旋器在处理高温烟气时, 既能将大部分热量回收, 又能达到除尘的目的, 既对 处理高温烟气问题提供了一种较好的解决办法,同时 对改进相应的除尘设备提供了理论依据 。 参考文献 [ 1] Frank Kreith, O K Sonju. The decay of a turbulent swirl in a pipe . Fluid Mech. , 1965, 22 2 257 -271 [ 2] 程林, 裘烈钧. 自由旋流强化传热的实验研究. 研究与探索. 山东 能源, 1990 2 2 -7 [ 3] 丁华. 直流旋风分离器的剖析与进展. 南化科技, 1990 3 1 -5 [ 4] 徐方成, 洪华生. 导叶直流式旋流管分离性能的研究. 厦门大学 学报 自然科学版 ,2002, 42 2 222 -224 [ 5] 尹晓霞. 切向起旋器产生旋转流场的实验研究 [ 硕士学位论 文] . 上海 东华大学,2002 作者通信处 黄书峰 214000 江苏无锡市凤翔路锦盛苑35号 502 室 E -mail shfxx mail. dhu. edu. cn 2007- 04-30 收稿 48 环 境 工 程 2008年 2 月第26 卷第1 期 1 500mg m3, circulated liquid flow was 10 L h and pHwas 1. 5～ 3. 0, the result showed that the efficiency of aqueous catalytic oxidation and biological purification was better than that of biological purification, which showed the accelerationof catalyzer was effective. The efficiency of SO2 it showed cracking time of veneer which was made from gluewater including 80 g L dunking tea water was longer thanfrom gluewater including 80 g L boiling tea water or original gluewater. Keywords tea water, veneer, content of aldehyde, agglutination intensity and cracking time of veneer THE NOISE OF CONSTRUCTION DEMOLISHMENT AND ITS CONTROL Chen Baoxin Cheng Xiaohui 54 Abstract As the high-power strike demolishing machines and the explosive technique in demolishment have been wildly employed, the problem of demolishing noise has become so conspicuous. Thispaper, based on the s of demolishment and its machines, analyzesthe reasons and characteristics of demolishing noise, then tries to find out the s of prevention of the demolishing noise. Keywords demolition, noise, hydraulic breaker and blasting STUDY ON THE VIBRATION AND NOISE CONTROL OF ROLLING WASHING MACHINE CABINETXu Chao Zuo Yanyan Li Xiaochuan 57 Abstract In order to decrease the vibration and noise of a rolling washing machine cabinet, experimentalmodal analysiswas conductedand modal parameters were identified. Then, a finite element model of the cabinetwas established for calculating modal analysis. The resultsfrom test and calculation are in good agreement, which indicates that the finite element modelestablishedis correct. Basedonwhich an improvement on the cabinet structure was conducted. By means of establishing finite element model and vibration response analysis, increasing its rigidity was proved an effective measure for decreasing the cabinet vibration and noise. Keywords washing machine, vibration and noise, modal analysis, finite element and harmonic response DISPOSAL AND COMPOSTING UTILIZATION OF SLUDGE FROM SEWAGE TREATMENT PLANTChen Yan Chen Yuru Tang Gang et al 60 Abstract Sludge disposal is an important process of sewage treatment plant, it holds an important part in the entire sewage treatment process. The sof sludge disposal included common landfill, sludge incineration, making brick, composting and so on. Biological compost is a noticeable green environment friendship .A was proposed using microorganism leaven, which linked up the characters of sludge and accessories to carry out the harmless processing. Analysis of sludge disposal and the reasonable utilization of typical sewage treatment 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 1,Feb. , 2008