一种贴壁射流气固两相速度场的同步测量装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明属于多相流动参数测量技术领域，具体涉及一种贴壁射流气固两相速度场的同步测量方法与装置。
【背景技术】
[0002]旋流燃烧器是对冲燃烧锅炉的主要燃烧设备，它的工作原理是:煤粉气流在旋流器作用下，从喷口射出后即产生旋转射流，进而形成有利于着火的高温烟气回流区，并使气流强烈混合，促使煤粉迅速而稳定地着火和燃烧。然而，对于靠近水冷壁的旋流燃烧器，煤粉颗粒和飞灰粒子在离心力作用下容易偏离流线而磨损壁面，特别是在靠近侧墙的外回流区。同时，随着对冲燃烧锅炉分级燃烧方式的采用，炉内气氛的还原性显著增强，煤的灰熔点大幅度降低，这直接导致了该区域水冷壁的严重结渣。如何在保证对冲燃烧锅炉高燃烧效率和低NOx排放的同时，确保炉膛水冷壁不发生结渣和磨损，成为该类锅炉亟待解决的问题。
[0003]目前，引入贴壁射流形成气膜，阻挡气固两相流对壁面的作用，是解决对冲燃烧锅炉水冷壁结渣磨损问题最有效的方法。然而，如何组织贴壁射流形成有效的气膜来阻挡气固两相流的作用，却是锅炉安全运行遇到的一个新问题。
[0004]合理组织贴壁射流，关键是需要掌握贴壁射流对气固两相流的阻挡规律。但是，目前常规的测量方法，比如PIV粒子图像测速法，只能测量单相流场的速度场信息，而基于此发展起来的两相流场测量方法主要分为三类:(1)在光学镜头前添加滤光片或采用两套光源，分别单独摄取两种粒子图像后进行单相运算；(2)将两相粒子呈现在同一底片上，采用相间动力特性分辨法对直接包含两相粒子的图像进行相关运算；(3)将两相粒子呈现在同一底片上，然后采用亮度分辨法、粒度分辨法、空间频率分辨法、形状分辨法等对两相粒子图像进行分离后再进行单相运算。方法(1)和(2)目前只适用于速度较低的气液两相，而方法(3)属于后分离模式，这种方法最大的缺点就是同一光学性能的两相粒子像斑具有互干扰性，很难在图像上对两相粒子进行辨别，容易引起误差。由此可知，传统测量方法无法实现在源头上对气固两相粒子(气相示踪粒子和固相实体颗粒)进行分离。
[0005]因此，本发明就是在这样的背景之下提出的一种能够同步测量气固两相速度场的方法与装置。
【发明内容】
[0006]发明目的:本发明针对贴壁射流与气固旋流、主流相互作用时，常规测量方法难以同时展现气相示踪粒子和固相微粒的速度场问题，提供了一种贴壁射流气固两相速度场的同步测量方法与装置。
[0007]技术方案:为解决上述技术问题，本发明提供一种贴壁射流气固两相速度场的同步测量装置，包括煤粉炉模化装置、平移装置、波导管、微波发射器、红外广角镜头、可见广角镜头、高速CCD摄像机、红外热成像仪、脉冲激光片光源、极性粒子、荧光粒子、荧光粒子均混室、极性粒子均混室和计算机，其中:
[0008]所述的煤粉炉模化装置由上下连接的直段和锥段组合而成，所述直段由依次相连的前板、右侧板、后板和左侧板围成，所述的前板和右侧板均分别设置有内衬、中衬和外衬，所述的后板和左侧板均分别设置有内衬和外衬；所述前板外衬在中部等高位置分别开设有红外视窗和可见视窗；所述后板外衬在中间位置开设一列纵向排列的等距间隔的m个微波入射口，m多3 ;所述左侧板内衬和外衬在底部等高位置分别开设有相互对应的射流入口和旋流入口，所述左侧板外衬中间位置开设有一列纵向排列的等距间隔的m个微波入射口，m多3，与后板外衬上的微波入射口布置方式相同；所述锥段底部是主流气入口，用于引进主流空气；
[0009]所述的微波发射器分别固定在上述微波入射口上；
[0010]所述波导管为柔性波导管，所述波导管的一端与微波发射器相连，另一端通过对应的微波入射口伸入到后板和左侧板的内衬和外衬之间并指向所述煤粉炉模化装置的内部；
[0011]所述的平移装置由相互连接的平移杆、电动推杆和控制器组成，所述平移杆纵向设置于后板和左侧板的内衬和外衬之间，在后板和左侧板的内衬和外层之间的阵列布置的柔性波导管分别固定于所述平移杆上，所述控制器与电动推杆相连，用于控制电动推杆的前行、倒退和停止状态，所述电动推杆带动所述平移杆的平行移动从而实现阵列布置的柔性波导管的平行移动，使波导管沿着后板内衬或左侧板内衬水平方向自由平移，从而将微波引入煤粉炉模化装置内部，对煤粉炉模化装置内被脉冲激光片光源照亮的区域进行定向加热；
[0012]所述的红外广角镜头一端与所述红外视窗相连，另一端与红外热成像仪相连，其作用使红外热成像仪的视角扩展至整个流场；
[0013]所述的可见广角镜头一端与所述可见视窗相连，另一端与高速CCD摄像机相连，其作用使高速CCD摄像机的视角扩展至整个流场；
[0014]所述的脉冲激光片光源架设于气流出口上面，方向朝下，可自由旋转，使片光源平行或垂直于后板内衬，可沿垂直或平行于后板内衬方向自由移动，激发切片上的荧光粒子发射荧光；
[0015]所述的荧光粒子均混室置于煤粉炉模化装置外面，用于均匀混合空气和荧光粒子，混合后的气固两相流通过射流喷口进入煤粉炉模化装置内；
[0016]所述的极性粒子均混室置于煤粉炉模化装置外面，用于均匀混合空气和极性粒子，固相体积比< 5%，混合后的气固两相流通过旋流器进入煤粉炉模化装置内。
[0017]其中，所述前板内衬呈平板状，由蓝宝石透红外玻璃制成，尺寸为WX Η ;前板中衬是防辐射网，呈圆弧状，直径D1= 1.2?1.3W，圆弧角β ι= 110?130°，孔径屯=1?2mm，开孔率1^= 30?40%，其中，W为前板内衬的宽度，Η为前板内衬的高度，前板外衬是透明有机玻璃，形状和尺寸参数与前板中衬相同。
[0018]所述后板内衬呈平板状，由透明钢化玻璃制成，尺寸为WXH;后板外衬由不锈钢板制成，呈圆弧状，直径D2= 1.2?1.3￥，圆弧角β 2= 110?130°，其中，W为后板内衬的宽度，Η为后板内衬的高度。
[0019]所述左侧板内衬呈平板状，由透明钢化玻璃制成，尺寸为ΕΧΗ ;左侧板外衬由不锈钢板制成，呈圆弧状，直径D2= 1.3?1.4E，圆弧角β 2= 45?70°，其中，Ε为左侧板内衬的宽度，Η为左侧板内衬的高度。
[0020]所述右侧板内衬呈平板状，由蓝宝石透红外玻璃制成，尺寸为ΕΧΗ;右侧板中衬是防辐射网，呈圆弧状，直径D1= 1.2?1.3W，圆弧角β ι= 110?130°，孔径屯=1?2mm，开孔率1^= 30?40%，其中，E为右侧板内衬的宽度，Η为右侧板内衬的高度；右侧板外衬是透明有机玻璃，形状和尺寸参数与右侧板中衬相同。
[0021]所述的极性粒子由碳化硅粉末制备而成，粒径范围在50?300 μπι之间。
[0022]所述的荧光粒子由石墨烯粉末负载荧光粉制备而成，粒径范围在3?10 μπι之间。
[0023]本发明同时提出了一种贴壁射流气固两相速度场的同步测量方法，包括如下步骤:
[0024](1)将空气和极性粒子混合均匀后通过旋流器引入煤粉炉模化装置，形成的旋转气流使其中夹带的极性粒子冲刷壁面，同时将空气从主气流口引入煤粉炉模化装置作为主流，然后将空气和荧光粒子混合均匀后通过射流喷口引入煤粉炉模化装置，在壁面区域形成贴壁射流气膜，阻挡旋转气流对壁面的作用，特别是阻挡极性粒子对壁面的冲刷；
[0025](2)开启并调整脉冲激光片光源，使强光照亮平行于壁面的一个切面，荧光粒子在强光激励下发射出荧光，移动脉冲激光片光源，依次照亮每一个平行切片，旋转并移动脉冲激光片光源，照亮垂直于壁面的每一个切面；
[0026](3)开启阵列微波发射器，保持下部微波功率比中部大20?30%，中部比上部大10?20%，调整阵列波导管，使微波定向辐射脉冲激光片光源照亮的切面，极性粒子在微波照射下被瞬时加热，发射出红外光线；
[0027](4)采用高速CCD摄像机拍摄切片的可见光图像，通过荧光投射的斑点呈现荧光粒子的运动轨迹，获得贴壁射流气流的速度场信息，同时采用红外热成像仪拍摄切片的红外图像，通过红外光投射的斑点呈现极性粒子的运动轨迹，获得旋流场中固相粒子的速度场ig息。
[0028]本发明原理为:在气固两相流场中，以荧光粒子作为贴壁射流气流的示踪粒子，极性粒子模拟旋转气流中的固体颗粒，采用脉冲激光片光源照亮流场切片中的荧光粒子，微波发射器发射微波加热切片中的极性粒子，同时采用高速CCD摄像机拍摄切片中荧光粒子的运动轨