风沙两相湍流中沙条带的实验测量

摘要

颗粒湍流是湍流研究的一大热点,还存在许多尚未认识清楚的问题,如沙条带的运动特征和形成机理.颗粒(inertial particles)的密度比载相(carrier fluid)的密度大很多,当颗粒与湍流结构相互作用时,在流场中易形成高浓度区(high-concentration regions)和低浓度区(low-concentration regions),即局部富集现象.在兰州大学多功能风洞实验室用粒子成像技术测量了风沙两相流中沙粒的运动,测量平面平行于风洞底壁,即x-z平面;测量了不同法向高度两个风速(10.5m/s,13.1m/s)下的流场,测量的摩擦雷诺数范围是Reτ=9000～12000.通过实验观察到,在较低法向高度处(y＜0.14δ),沙粒运动存在明显的局部富集现象,形成沿流向的沙条带结构(称之为浓度条带);在较高法向高度处(y＞0.14δ),由于沙粒跃移高度的限制,观察到的沙粒浓度较小,看不到明显的沙条带.以沙粒作为示踪粒子,从粒子图像中得到了不同工况下每一个瞬时场中沙粒的浓度、速度和粒径分布,并对这三个物理量进行了统计分析和相关分析.从不同区域内这三个参数的概率密度分布中,发现展向平面内沙粒的浓度、速度和粒径有明显的相关性,且随着法向高度和来流速度的不同,相关度也有变化.另外,还分析了沙条带间距和条带宽度的统计规律.