两相流显微PIV/PTV系统的开发

开发了一个能同时测量两相流中两相速度和细颗粒尺寸分布的显微PIV/PTV系统,其硬件系统包括大功率连续激光器、显微镜、高速摄像机;软件系统由改进的球形颗粒图像识别算法、各种图像处理算法和各种先进的PIV/PTV算法组成。其中改进的圆弧识别算法能够进行更准确地进行曲线分割而能对充满噪音并相互重叠的颗粒图像给出较好的识别结果。应用该PIV系统,可以在微秒和微米数量级上捕获细颗粒/气泡图像,并能较准确地同时得到两相速度、颗粒尺寸和浓度分布。对焚香可吸入颗粒物进行了速度和尺寸的同时测量,得到了较满意的结果。     

细颗粒间相互作用力的研究

对微米、近亚微米尺度的细颗粒间相互作用过程的显微观察发现,细颗粒间具有"吸引-旋绕-排斥"的相互作用行为.受力分析表明,包含范德华力、静电库仑力和电像力的传统颗粒间作用力模型不能解释这种相互作用行为.根据细颗粒的荷电特性,提出细颗粒间还具有诱导偶极子作用力.通过引入偶极子作用力改进了细颗粒间作用力模型,利用新的模型对细颗粒间相互作用进行了模拟,得到了和实验相同的相互作用行为,并且对影响细颗粒相互作用的参数进行了分析.提出投入大颗粒和增加外静电场等都是促进颗粒凝并的有效措施.     

颗粒碰撞率的实验研究

本文采用一种新的研究思路,以高速摄像作为手段,结合各种新颖的PTV算法,在毫秒级时间尺度和毫米级空间尺度上(颗粒尺寸)来对颗粒碰撞率做实验研究,对长期以来一直沿用的描述颗粒碰撞率的关系进行检验与修正。通过对实际颗粒碰撞率与颗粒浓度、平均相对速度的关系进行测量研究,发现理论关系与实验存在较大的差别,理论关系较大地高估了碰撞率。指出了需要进一步深入和完善描述颗粒碰撞率的实验规律,这些规律可直接应用于气固两相流动的数值计算与理论分析中。     

亚微米燃烧源颗粒物间的相互作用研究

采用微观可视化的高速摄像技术直接观察了燃烧源亚微米颗粒物间的相互作用形态,发现了亚微米颗粒间存在“吸引-旋绕-排斥”形态的相互作用。通过颗粒受力分析,认为传统所考虑的曳力、重力、库仑力、范德华力不能解释这种相互作用．根据亚微米颗粒荷电的不均匀性特征提出颗粒静电力应包括净电荷库仑力和感应偶极子间作用力两部分．感应偶极子间作用力是近程力,具有径向和周向两个方向,在颗粒比较接近的时候迅速增大,并能导致颗粒之间相互旋绕和排斥。该力与上述几种力综合起来可以很好地解释实验发现的这种颗粒相互作用形态。