使用3D PTV测量明渠均匀流颗粒运动规律的研究

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：Dupont et al.采用立体摄像的3D PTV测量了0.6cm3空腔内晶体生长过程中颗粒三维运动的轨迹，作者只论证了该系统的可靠性，还没有颗粒运动规律的研究成果。本节介绍采用3D PTV试验研究明渠均匀流的颗粒运动规律，揭示出颗粒纵向平均速度符合对数分布规律，颗粒垂向的浓度分布符合Rouse方程。在近壁流区，颗粒纵向和垂向脉动速度的概率密度偏离正态分布，横向则接近正态分布。

比重大于流体的颗粒在水流紊动的作用下保持悬浮运动，所以悬移质颗粒的运动也必然具有紊动的特性。对悬浮颗粒运动的理论研究因问题太复杂而进展缓慢，试验研究亦因仪器设备的制约而鲜有系统的成果。

随着高速摄影、数字图像处理、激光和超声测量等技术的不断发展，人们对水流中的颗粒运动和水流结构进行了大量的试验，如胡春宏和李丹勋等。大多数试验局限于二维运动，对颗粒三维运动规律的研究仍处于探索性阶段。Dupont et al.(1999)采用立体摄像的3D PTV测量了0.6cm3空腔内晶体生长过程中颗粒三维运动的轨迹，作者只论证了该系统的可靠性，还没有颗粒运动规律的研究成果。Pruvost et al.(2000)采用二维PIV 测量了恒定环状旋转衰减流的三维流速场，获得了三个方向的平均流速分布和紊动强度分布，得出该流动形态的紊动强度在离心力的作用下明显大于轴向圆环流。Müller et al.(2001)采用多色激光片光技术测量1～2mm 氦气泡运动的三维轨迹，得出气流的三维速度场，从原理上看，该方法可以用在水流中颗粒三维速度场的测量。Stuer和Blaser(2001)采用4组摄像机斜向安装的PTV技术，经空间坐标标定后测量了坎前层流的流速。Walker(2002)采用双摄像机斜向安装测量气流的三维速度分布，其主要进展是测量沿主流横断面的流场，但用于水流量测时镜头斜向安装的折射会加大PIV 计算的难度。Kieft et al.(2002)采用在同一方向斜向安装三个摄像机的PTV技术测量了圆柱热源下游涡街的发展过程，他在测量体中的已知位置设置精确制作的2D平面格删，经过现场的空间标定和多项式回归得出每个摄像机的标定参数。Meng et al.(2004)开发了一种数字全息PIV测量复杂流场的三维流速分量，采用二维全息照片构建三维流场，获得了两组试验成果。Hori和Sakakibara(2004)采用立体扫描PIV 测量了圆管射流的三维流速，得出了涡旋强度等统计参数。Doh et al.(2004)采用3D PTV 测量了一个球体后面的尾流区三个方向的速度分布，得出了球体周围的涡环运动及旋转方向、尾流区的旋涡结构等参数。

本节介绍采用3D PTV试验研究明渠均匀流的颗粒运动规律，揭示出颗粒纵向平均速度符合对数分布规律，颗粒垂向的浓度分布符合Rouse方程。颗粒脉动速度的紊动参数因重力对紊动的抑制作用而减小。颗粒剪切应力在接近床面时约为水流紊动剪切应力的75%左右。颗粒脉动速度的纵向紊动强度最大，垂向紊动强度最小，紊动强度随粒径的加大而减小。在近壁流区，颗粒纵向和垂向脉动速度的概率密度偏离正态分布，横向则接近正态分布。在上部流区，纵向脉动速度的概率密度偏离正态分布，垂向和横向的概率密度则近似为正态分布。

使用3D PTV测量明渠均匀流颗粒运动规律的研究

相关推荐