使用Stereoscopic(立体)PIV测量NIST喷雾燃烧装置的速度特征

       计算流体动力学(CFD)为实验提供了一种经济有效的替代方案,并且越来越多地用于解决许多工程领域的实际问题。然而,在进行数值模拟之前,必须首先确保CFD模型的准确性。这应该通过两种方式完成:确认和验证。确认包括确保模型中的代数和微分方程得到精确求解。另一方面,验证涉及确定是否已经正确求解了CFD模型。后者需要实验结果作为基准数据,用于CFD模型和子模型验证。

       为了满足喷雾燃烧领域的验证需求,美国国家标准与技术研究院(NIST)的喷雾燃烧装置已经建立并得到了广泛的表征。图1中示出了火焰的照片。燃料从圆柱形钝头体中心的喷射器喷射,并且流出钝头体周围的环形空间的逆时针旋转气流用于稳定火焰。

 

 

数据采集和处理

       采集和处理方案的示意图如图3所示。数据采集在火焰开启和熄火条件下进行,测量位置在相对于燃烧器入口的几个高度处。在每个测量站,记录了500到700个PIV测量数据,以获得对流动的合理统计说明。在流体通过环形空间之前将直径为1.5微米的氧化铝颗粒引入流体中

       为了在空间上解决流体中的梯度,使用自适应相关技术在3D速度重构之前处理图像。该自适应相关技术依赖于执行多次互相关计算的多次算法,由此在每次计算中使用来自前一次计算的结果来提高下一次计算的准确性。第一遍是传统的互相关计算,但是在第二遍中,第二帧上的解调区域(IA)相对于第一帧上的相应IA偏移。来自第一遍的结果用于确定在第二帧上IAs应该移动多少。与传统的互相关方法相比,它提供了更好的空间分辨率和动态范围。用于本测量的程序概述如下:

 

     · 初始解调区域:64×64像素

     · 最终解调区域:16×16像素

     · 次数:每步2次

     · 每次计算的验证:

          1. 峰高比检查

        2. 移动平均值

      在燃烧器底部进行的测量通过另一个验证步骤验证,该步骤应用掩模使恰好被入口几何占据的矢量区域无效,如图4所示。

实验设备

       图2显示了燃烧设施的照片以及测量期间使用的PIV设备。它包括:

    · 50 mJ,双腔,迷你Nd:Yag激光器,工作波长为532 nm,脉冲为4至5纳秒,一对8位双帧CCD相机,分辨率为1008 x 1018像素

    · 一对特殊的安装座,允许相机机身相对于镜头旋转,以满足Scheimpflug条件

    · 105mm Nikkor镜头

    · 带通滤波器,波长为532nm±15nm

    · 2200 FlowMap处理器,具有基于FFT的在线相关分析的专用硬件

    · 用于采集后分析,显示和3D速度重建的软件

图3a) 数据采集布置和处理过程示意图

图2:NIST的喷雾燃烧装置及DantecDynamics的立体PIV设备

图3b) 从左侧相机查看被点燃喷雾的透视图

图1:燃烧器入口和火焰结构

结果

       以下是在燃烧器底部和无火焰条件下的一些结果(图5和图6)。得到的速度图覆盖了57.3mm宽,40mm高的区域,包含大约9000个矢量。喷雾位置为x=0 mm。

图6a、6b、6c(上、中、下)显示了在环形出口上方几个高度处的速度分量分布

参考文献

Widmann, J. F., Presser, C., and Papadopoulos, G., "Benchmark Database for Input and Validation of Spray Combustion Models: Inlet Air Characterization," 39th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Paper AIAA2001-1116, Reno, NV, Jan. 8-11, 2001

       然而,早期的表征没有燃烧室入口处气流的速度信息。这种表征需要同时测量速度的三个分量,并且选择立体PIV作为在给定可用光学接入的情况下满足这种测量要求的最佳技术。

图4a和图4b 燃烧器入口的左(a)和右(b)摄像机视图:视图区域是环直径的一半,喷射器位于视场的最右侧附近。

图5a和图5b来自采集到的200个平均速度场:(a)垂直于激光片的分量,页面外方向为正(b)平面内速度分量(为了清楚起见,向量隔一个显示)

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