风沙流中沙粒速度的PDPA实验研讨.pdfVIP

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：066069 风沙流中沙粒速度的PDPA实验研究书 亢力强 郭烈锦” 顾正萌 (西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室．西安，710049) (Tel：029 E-mail：ldq@sohu．com) 摘要。在风洞中采用PDPA相位多普勒粒子分析仪对风沙两相流动中沙粒速度进行了实验研究，井分 析了沙粒群速度廓线，沙粒速度脉动特征。测量结果揭示了更详细的沙粒水平速度廓线分布特征．在 地表附近20mm以内的高度，沙粒水平速度偏离上部速度的变化规律，并可描述为幂函数规律变化。 还验证了对沙粒速度廓线的已有认识规律，在20mm以上的高度，沙粒水平进度随高度呈现出按对数 规律或幂函数规律增加。沙粒平均垂直速度随高度的变化比较复杂，其平均值一般在-0．2m／s到0．2rrds 范围内。沙粒水平均方根脉动速度随高度出现峰值．并高于沙粒垂直均方根脉动速度。随著来流风速 的增加．沙粒水平和垂直均方根脉动速度均增加．本文的实验研究有助于研究风沙流中沙粒运动规律。 关键词：PDPA；风沙流；沙粒速度 1前言 由于测量技术的限制，因此对风沙流动中沙粒速度的实验结果相对较少。大多数观 测都采用高速摄像系统测量单个沙粒速度，但其捕获数日有限而不利于统计分析，而且 在非常低的高度(小于lcm)由于沙粒密集，其测量很困难。为了克服这个缺点，Dong 等【11】开始采用相多普勒速度仪PDA来测量沙粒速度。 流体剪切速度为1．0m／s时的理论计算认为沙粒群最大动能发生在地面以上6em，Zou 分接近。Zou等【6l还进一步给出沙粒群动能随高度的分布可用Pulsepow函数表示． 金星上大气压条件下的颗粒速度，平均直径O．715mm的大颗粒的速度在火星大气压条件 下为风洞来流风速的10．20％，在地球大气压条件下为50．60％，在金星大气压条件下接 近100％。 ’国家重点基础研究发屣计划(973计划)G2000049／02项目资助内窖 “通讯作者，E-mail：Ij-guo@mail．xjtu．edu．∞ 345 速度分布进行了测量。表明沙粒水平速度随高度成对数规律增加，而平均垂直速度随高 度变化更加复杂。沙粒水平速度随高度、自由来流风速增加而增加，随沙粒大小增加而 减小。沙粒合成平均速度随高度可表示为修正的幂函数变化。流动方向上沙粒湍流随高 度有降低的趋势． 度随高度按幂函数规律增加，而平均垂直速度随高度变化依然十分复杂。Zou等161(2001) 在风洞中用高速摄影技术对跃移沙粒运动进行了实验研究，认为沙粒速度大小随商度的 变化可用幂函数表示。 总之，影响沙粒速度的因素很多．包括风速、沙粒与床面的碰撞、气流中沙粒间的 碰撞、沙粒的大小与形状、床面几何形态分布以及重力等，这更增加了研究的不确定性。 当前研究虽然取得了很多迸展。但对沙粒群速度的研究仍不充分，而且由于实验条件不 同(例如沙粒大小、测量高度、来流风速等)，不同作者实验的定量比较也很困难，需要 继续研究。 因此，本文在风洞中采用PDPA相位多普勒粒子分析仪对风沙两相流动中沙粒速度 进行实验研究，以更详细地揭示沙粒群速度以及沙粒速度脉动等特征。 2实验系统和方法 实验在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室的风沙两相流实验风洞内进 行。本风洞实验系统由动力系统、整流系统、实验段以及除沙尘系统组成。动力系统由 变频电机、离心风机和变频器组成．变频器控制电机转速来调节离心风机的风量。从而 控制流经风洞实验段的风速。气流在进入实验段前进行整流，来改善气流品质；以满足 实验段的要求。从实验段捧出的沙尘物质进入除沙尘系统，以回收利用。 风洞实验测量段测量布置见图1所示。风洞实验段高0．6m，宽0．4m。采用热线风 速仪测量沙床前部风洞中心位置处的来流风速。采用PDPA相位多普勒粒子分析仪测量 沙床末端处的沙粒速度沿高度方向的变化。PDPA是一种非接触式测量系统。不干扰流 场，测量可靠性高。 竺 j