PIV应用于气液两相流的研究现状

[摘 要]：作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量技术，粒子图像测速（PIV）技术近年来在单相流和多相流领域得到了广泛的应用。对于气液两相流PTV技术，目前还处于起步与发展阶段。着重概述了两相示踪粒子的采样技术，并对近年来国外PIV技术在气液两相流动领域中的研究现状做了总结与分析，指出PIV技术在气液两相流体特性研究中具有很好的应用前景. 0 引 言 近十几年来，随着激光技术和图像处理技术的成熟，粒子图像测速（particle image velocimetry，PTV）技术获得了人们的普遍认可。在能进行相分离的多相流运动中，都可以采用PIV技术来分析其运动规律。作为研究各种复杂流场的一种基本手段，现在已经广泛应用于各种流动中，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多相流动等。 气液两相流作为两相流中的一种，广泛应用于能源、化工、冶金，核能、冶金等领域。早在1907年，气液两相流就被用来减少波浪对建筑物的破坏作用。此后，在工程中也得到越来越广泛的应用，如，在河口用气泡幕防止盐水入侵；控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水质；加速反应装置中的物质混合、热量交换、以及化学反应过程；在城市河流污染治理中，用纯氧曝气复氧来治理污染河流、消除黑臭。这些工程应用的效果如何，很大程度上取决于气泡运动形态以及分散相和连续相之间的相互作用。然而，在气液两相流动中，气液两相的流速是不同的。在流动时，气液两相的流动结构又是多样的，而且，带有随机性。因而，要既全面又准确地描述气液两相流体的流动状况是相当困难的。在过去试验研究中，通常，采用热线热膜风速仪（HWFA）和激光多普勒测速仪（LDV）等方法，但这些方法的缺点是只能获得空间单点的信息，而PIV则能获得瞬态的全流场流动状况。因此，采用PIV测试技术研究气液两相流动特性不但具有一定的学术价值，而且，具有实际工程意义。国外许多学者为此做出了不懈的努力。早期的Hassand等人对PIV在多相流应用研究做了简要介绍。近几年，PIV技术在气液两相流动应用方面取得了一些进畏，还未得到及时的报道。因此，回顾近年来PIV在气液两相流的应用研究具有一定的意义。 1 PIV测试技术原理 1.1 P1V技术基本原理 近年来，由于图像处理技术的发展和阵列式计算机的产生给图像处理提供了现实可能。PIV技术就是在流动显示基础上，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。它不仅能显示流场流动的物理形态，而且，能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。 PIV技术的基本原理就是在流场中散播一些示踪性与反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子，用自然光或激光片光源照射所测流场区域，形成光照平面，使用CCD等摄相设备获取示踪粒子的运动图像，并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，并对拍摄到的连续两幅PIV图像进行互相关分析，识别示踪粒子图像的位移，从而得到流体的速度场，即 1.2 两相粒子成像技术 （1）两相速度滑移对粒子成像的影响 粒子成像测速的基本原理是基于同一粒子成的2个像间位移与时间的比值得到，而在粒子位移变化足够小的情况下，假设此时速度的大小与方向不变。位移越小，测量精度越高。图像中可分辨的最小距离的取得取决于示踪粒子的粒径、流动速度、两次取像间隔时间及粒子的密度。一旦其他参数选定后，则流速主要取决于取像的时间间隔。这个间隔时间是作用于全流场的。因此，两相粒子成像测速时，受到两相速度滑移范围的限制。 （2）示踪粒子密度的不同对两相粒子成像技术的影响 两相流体示踪粒子不同。水平取像时，重的相的粒子容易跑出片光的照射区域，从而很容易造成找不到示踪粒子的相关点：故作两相测量时沿重力方向取像测量相对要容易得多。 （3）示踪粒子的光学性能对两相粒子成像技术的影响 示踪两相流体的示踪粒子若光学性能接近，主要靠粒径的大小来区分不同相的粒子：这在成像上没有太大困难。若示踪两相的示踪粒子光学性能不同。则可通过灰度来区分示踪不同相的粒子。反光强度差别大，分辫容易。但差别过大，则不能在同一光学条件下取像。对某一相示踪粒子取像清晰，另一相示踪粒子的图像会模糊不清。必须通过特殊光学镜头处理调试，分别取像再合成在一起。 （4）示踪粒子浓度对成像技术的影响 在试验研究中，还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时，粒子像会重叠在一起，由于激光为干涉光，所以，在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移，但对于流场而言，由于散斑场的稳定性较差，提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时，粒子对的数目可能太少，结果将得不到足够多点的流速，不能得到足够准确的流速分布。 1.3 两相速度同时测量的图像处理方法 （1）在两相流图像处理中，与单相粒子成像技术不同，两相PIV技术的一个挑战性问题是如何将连续相和分散相的粒子图像区别开来，其关键在于相分离技术。通常，采用的相分离技术有荧光标记法、粒径分辨法、灰度分辨法、中值滤波法等。通过这些技术方法可以实现相分离。当两相间具有显著的滑移速度时，相关域内可以呈现出2个独立的位移相关峰，在两相间滑移速度较小或两次曝光时间间隔很小时，这2个位移相关峰将非常接近甚至重叠，此时，无法进行两相分离。 （2）两相分离后，采用单相PIV技术即可获得每一相的流速场。其存在的问题和解决的方法与单相类似。对不同的流场可采取不同的算法进行简化，然后，再将两幅图合成起来。 2 PIV用于气液两相流测试 PIV技术发展初期主要用来测试单相流（空气和水等），随着PIV技术不断地向前发展，其应用领域不断拓宽，两相PIV图像中还包含了离散相颗粒（气泡）的丰富信息，不仅能给出速度分布，还能给出颗粒粒径与浓度分布。与单相流测量相比，两相数字图像处理技术要困难得多，它不仅要分辨代表同一粒子在已知时间间隔里移动位移，而且，要将代表不同相的颗粒区分开来，而两相颗粒之间会发生碰撞、遮挡，甚至翻转。代表两相流动的颗粒如果光学性能不同，会给在同一底片上成像带来很大困难。颗粒很容易跑出片光照射的区域使在观测区域找不到相关点。故两相测量的图像数字处理技术尚处于起步与发展之中。目前，国际上已开始将PIV技术用于气液两相流动测量中。虽然，在PIV应用于气液两相流动时存在着连续相和分散相的粒子图像如何区别、照光光源的选择、图像处理算法的改进等许多难题，但已有一些研究者做出了初步的探索，取得了一些可喜的研究成果。 2.1 PIV用于鼓泡塔内气液两相流测试 气液鼓泡塔是气液两相进行质量、动量和能量传递及化学反应的重要设备，具有相际接触面大、液体持有量多、传质和传热效率高、结构简单、操作稳定等特点，并具有在高温、高玉下处理腐蚀性和有毒性气体的能力。在石油化工、生物化工等领域中得到广泛应用。鼓泡塔内气液两相流动是一种复杂的两相流动过程。一般来说，由于气泡的易塑性，气液两相流动形态呈无限的拓扑关系。多年来，尽管人们对气液两相间的相互作用及对各种流型的特征有了一定的认识，但对各种流型产生的机理和流型过渡的本质并不十分清楚。1994年，Chen等人用粒子示踪测速仪PIV测量了内径为10.02cm、高1.2m鼓泡塔气液两相的流动特性，发现塔内流动结构和流动参数分布与塔径及气、液表观速度关系密切。2001年，SONGQiang等人用PIV技术测量了直径为29mm、高3.7m的铅垂管气液两相层流非均匀泡状流流场，并对气泡群力学特性、气泡波动的随机性、非球形气泡的虚质量力、Besset力以及升力的模拟；各向异性两相湍流的模拟；优化的数值计算方法；松弛因子的选取提出自己的见解，并指出气体分布器形式对流场的影响，以及在较大的塔高、高径比的几何条件下理论和试验研究还有待进一步研究探讨。上述诸试验工作对于人们认识和了解鼓泡塔内气液两相流动机理和流动特性起到了积极的作用，同时，也表明PIV应用于鼓泡塔气液两相流流动特性测试是可行的。 2.2 PIV用于气泡运动速度场测试 气液两相流是水利、能源、化工、环境中常遇到的一个问题，在一些工程应用的效果如何，很大程度上取决于气泡运动形态及分布。气液两相的流动结构是多样的，而且，带有随机性。2000年，Gmnefeld和Finke等人结合PIV和激光诱导荧屏（laser-indueedfluorescence，LIE）测试技术，探索了同时测量薄片装置内紊态的气液两相流各分散相的速度场。结果表明：PIV技术能够用来测量气液相速度场，精度很高，误差小于2%，低于标准的6%～7%。 2003年，CHENG Wen，FujioYamamoto提出了一种在高空隙率下气液两相流中气泡速度场的图像分析方法，该方法基于应用多重空间分辨力，也就是回归互相关PIV法（recursive cross correlation PIV，RCC-PIV）来求解气液两相流中气泡的速度。结果表明：气泡速度高频率的振动发生在剪切层和上表面附近，而低频率振动时主要发生在试验装置的中部；特征频率将气泡振动强度的频谱划分为2个区域，在这2个区域形成了气泡羽流的紊流特性和宏观对流模式。 CHENG Wen，Yuichi Murai采用PIV技术测出气液两相流中气泡速度场，通过建立低雷诺数下微小气泡的运动方程，并采用逆解析法求解方程，可得到沿着气泡轨迹的液相流速，通过空间和时间的内插法建立了整个液相流场结构。同时，根据气泡运动的测量数据提出了估算液相流场的算法。Lndken通过PIV技术，采用相分离方法，对水中气泡运动速度场进行了分析，并对气液两相流测量问题进行了探讨，为由气泡运动产生的非紊流运动研究提供依据。 综上所述，PIV应用于气泡场的测量已取得了成功，为PIV应用于气液两相流流动特性研究奠定了理论和实践基