起旋粗螺纹间隙中流体流动特性的PIV实验研究.pdf

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1、416化工自动化及仪表第43卷起旋粗螺纹间隙中流体流动特性的PIV实验研究孙然1赵会军1王小兵1崔海清2(1．常州大学石油工程学院，江苏常州213016；2．东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318)摘要利用粒子图像测速(PIV)技术对不同介质流体在垂直粗螺纹间隙中的螺旋流动进行全流场测量。用Tecplot软件进行粗螺纹间隙中螺旋流场显示并对沿流动方向上的流体速度进行提取。分析了不同流量条件下，粗螺纹间隙中不同介质流动流场瞬时特性、沿流动方向上流体速度分布特征和涡量场分布特征。结果显示：流体在粗螺纹阎隙中存在高速区和低速区，随着流量的增

2、加，高速区速度逐渐增大．面积逐渐减小，涡旋强度增加，正涡逐渐下移，负涡位置基本保持不变。在粗螺纹间隙中流体介质的粘度对螺旋流场的影响较小。关键词螺旋流粗螺纹间隙PIV速度分布涡量场中图分类号TH815文献标识码A文章编号1000—3932(2016)04-0416-06螺旋流是湍流流动中的一种特殊而规则的涡旋流动，它可以分解为周向流动和轴向平直流，周向流动即为强制涡流。由于强制涡流能够有效提高液相携带气相和固相的效率，因此作为产生螺旋流的重要装置，起旋器在石化行业得到了广泛的应用¨。J。粗螺纹作为一种常用的起旋部件，具有结构简单、起旋效率高的优点，但国内外对粗螺

3、纹间隙中流体流动规律研究的相关文献较少。粒子图像测速(PIV)技术是一种基于流场图像互相关分析的二维流场非接触式测试技术。多数测速仪器只能对流场进行单点测量，且在测量时需要接触流场，难免会对流场产生扰动，影响测量结果。而PIV技术具备单点测量技术的精度和分辨率，同时可以实现低速到超声速流场的无扰测量和全场瞬态测量，在流场测速技术中占有一定地位。目前PIV技术已能够实现对高湍流度和有旋涡的流场进行测量，其硬件系统和软件系统都比较完善¨““。为了研究粗螺纹间隙中流体螺旋流的流动规律，笔者利用PIV技术对垂直粗螺纹问隙中不同介质的螺旋流场进行了测量和分析。用Tecpl

4、ot软件对粗螺纹间隙中螺旋流动进行流场显示，并对粗螺纹间隙中沿螺纹方向进行速度提取和涡量场显示。详细分析了不同流量条件下，粗螺纹间隙中不同介质螺旋流场特征、速度分布特点和涡量场分布特点，为石化行业中粗螺纹起旋部件的设计提供了理论依据。1实验装置和条件实验循环系统选用螺杆泵供液，电磁流量计测量流量，变频器调节流量，同时由差压变送器测量压差并进行数据采集。实验模型为透明粗螺纹体，如图I所示，将它放置于有机玻璃圆管中，透明粗螺纹体外径4．85cm，螺距Iem，螺牙高Icm，螺旋角度15o；有机玻璃圆管长100cm，内径5era。图I实验模型收稿日期：2016-oi一1

5、2基金项目：国家自然科学基金资助项目(50674019)第4期孙然等．起旋粗螺纹间隙中流体流动特性的PIV实验研究417实验时，不同介质流体从有机玻璃管的下端进入，通过透明有机玻璃螺纹。在拍摄过程中，激光会在圆弧形模型表面产生反射光。为减少反射光的影响，本实验在有机玻璃管外的拍摄区域安装了一个方形玻璃盒，盒中盛满与被测液体相同的介质。实验流程如图2所示。图2实验流程简图鹱罐实验用PIV系统由Vlite200双脉冲固体激光器作为照明光源，由SM—CcDB5M16相机记录示踪粒子图像，并由MicroPulse725型同步控制器实现对激光器、数字相机和图像采集板的控制

6、。激光器系统最大功率为200mJ，CCD相机可以对0—1000m／s速度范围内的流体进行测量，PIV模式最小曝光时间间隔不高于200ns，采集速率16帧／s，同步控制器的延时精度。0．25ns，TTL电路设定步长1n8。PIV系统的测速精度±1．0％，能够满足实验要求。实验用示踪粒子为空心玻璃微珠，微珠密度1050kg／m3，直径约21zm，示踪粒子撒布浓度约为6mg／L，跟随性较好。实验选用的聚合物溶液是质量浓度为400mg／L的聚丙烯酰胺。实验温度25℃。2粗螺纹间隙螺旋流场瞬时特征利用PIV对垂直粗螺纹间隙中不同介质在不同流量条件下的螺旋流动进行测量，得到

7、了粗螺纹间隙中螺旋流的流场瞬时特性。用CCD相机拍摄了1000张撒布了示踪粒子的流体运动图像，经过互相关计算，并由Tecplot软件对数据进行处理后，得到粗螺纹间隙中瞬时螺旋流场(图3)，流场中的取值部位如图4所示。a．水b．聚合物溶液图3不同流量、不同介质条件下粗螺纹间隙中流场分布图4流场中的取值部位由图3可知，粗螺纹间隙螺旋流场中，存在明显的高速区和低速区，高速区主要位于螺纹间隙中央位置，低速区位于螺纹壁面附近。粗螺纹间隙螺旋流动的速度分布呈凸抛物线形，与普通圆管流动特征基本一致，流速在高速区中心位置达到最大值。流量为2．7m3／s、介质为水时，其速度最高可

8、达8．3m／s。随着流量