气体流动图形氦气泡示踪技术的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1985.04.003 北京钢铁学院学报 1985年第4期 气体流动图形氦气泡示踪技术的应用 热能系陈鸿复李宝善姚夏濟 摘要 本文利用氨气泡示踪技术成功地对工业炉中流体流动模型进行摄象。氯气泡发 生器，低速发生头和发泡液由我们自制。对二维及三维回流流型，固体障碍后的绕 流等拍照证明，图象晰，效果良好，使用方便，它是进行流体力学实验和教学的 一种比较实用的方法。 一、前 言 虽然计算流体力学近来已得到迅速发展，但是目前对极其复杂的炉内气体流动，仍感困 难重重，在极大多数情况下，还要依靠相似物理模型来弄清流场情况，而其中流场可视化技 术又占有重要地位，因为它能给人以最直接的感觉，训速对流场机理的了解。等温流体流动 模型如果采用水作介质则可视化比较容易实现。人们可向水中加入少量的示踪剂如铅粉， 料球，氢气泡甚至兰墨水等，以便观察和照相。但水力模型制作要求较高，且容易漏水，定 量测量也比较困难（如速度场、压力场和浓度场的测量）。与此相反，气力模型制造容易， 定量测量比较方便，但不易可视化，照象就更困难了。传统的做法是向气流中加入发烟剂， 但速度大了烟很易被冲淡而消失并污染空气。如果加入软木粉等比较轻的固体颗粒，因其比 重比空气大得多，易造成示踪图形的失真。六十年代末美国SA【公司研究成功了氨气泡示踪 技术，能够使生成的氢气泡处于‘中性浮力’状态（气泡比重和周围空气相等），这就解决 了上述图象失真问题。这样的示踪技术，据SAI公司称可用于许多需要气体示踪的地方， 如：风洞试验，通风系统设计，经过风机及风扇的空气流动，自然对流的研究，空气污染图 形，围绕着农作物的气流，风对建筑物的作用，螺旋浆试验，电子系统的空气冷却及管内气 体流动等。对于工业热工设备流动模型的示踪当然也可以采用此项技术。为此，我们试制了 氨气泡发生器和低速发生头及发泡液，获得了初步的成功，在不同的模型中拍摄了示踪照 片，现将材料初步整理发表，供有关技术人员参考。 二、氨气泡发生器的结构 本设备主要包括两部分：1)控制系统；2)气泡发生头，外加供气系统。其总系统图 见图1，发生头结构见图2。 氨气的作用是代替压缩空气的作用，因为目前在国内不易获得瓶装压缩空气，当然用一 台小型压缩空气机也可以。 16

北 京钢铁 学院学报 年 第 期 气体流动图形氦气泡示踪技术的应用 热能系 陈 鸿复 李 宝善 姚夏漪 摘 要 本文利 用 氦气泡示 踪技术成 功地对 工 业 炉 中流体流 动模型进行摄 象 。 氦气 泡 发 生器 ， 低速发生头和 发泡液 由我们 自制 。 对 二 维及 三 维 回流 流型 ， 固体 障碍 后 的绕 流等拍照证 明 ， 图象清晰 ， 效果 良好 ， 使用 方便 ， 它是进行流体力学实验和教学的 一 种 比较实用 的方法 。 一 、 前 、 口 虽然计算流体力学近 来 已得到迅速发展 ， 但是 目前对极 其复杂的炉 内气体 流动 ， 仍感 困 难重 重 ， 在极大多数情况下 ， 还 要依靠相似物理模 型来弄清流 场情况 ， 而其 中流场可视 化技 术又 占有重 要地 位 ， 因为它 能给人 以 最 直接 的感觉 ， 加速对流场机 理的 了解 。 等温 流体流 动 模型如 果采用 水作介质则可视 化 比较容易实现 。 人 们可 向水 中加入 少量 的示踪剂如 铝粉 ， 鲁 料球 ， 氢气泡甚 至 兰墨水等 ， 以便 观察和照 相 。 但 水力模型 制 作要求较高 ， 且 容易漏 水 ， 定 量 测量 也 比较 困难 如速度场 、 压 力场 和 浓度场的测 量 。 与此相反 ， 气 力模型制造 容易 ， 定 量 测量 比较方便 ， 但不 易可视 化 ， 照 象就更 困难 了 。 传统 的做法是 向气流 中加入 发烟剂 ， 但 速度大了烟很 易被 冲淡而消失并污染 空气 。 如 果加入 软 木粉等 比较轻 的 固体颗粒 ， 因其 比 重 比空气大得 多 ， 易造成示踪 图形的失真 。 六十年代末美国 公 司研 究成功 了氦气泡示 踪 技术 ， 能够 使生成 的氦 气泡处于 ‘ 中性浮力 ’ 状态 气泡 比重 和周 围空气相等 ， 这 就解决 了 上述 图 象失真 问题 。 这样的示踪 技术 ， 据 公 司称可 用 于许 多 需 要气体示 踪 的 地 方 ， 如 风 洞 试验 ， 通风 系统 设计 ， 经过风机 及风 扇的 空气 流 动 ， 自然 对流的研 究 ， 空气污染 图 形 ， 围绕着农作物的气流 ， 风 对建筑 物的 作用 ， 螺旋 浆试 验 ， 电子 系统 的 空 气冷却及管 内气 体 流 动等 。 对于工 业热工设备流 动模型 的示踪 当然也可 以 采用 此项 技术 。 为此 ， 我们 试制 了 氦 气泡发生器 和 低 速发生头 及发泡 液 ， 获得 了初 步 的 成功 ， 在不 同的模 型 中拍摄 了示踪照 片 ， 现将材料初 步 整理发表 ， 供有关 技术人 员参考 。 二 、 氦气泡 发生 器 的结构 本 设备主 要包括 两部分 控 制系统 讨包发生头 ， 外 加供 气 系统 。 其 总系统 图 见 图 ， 发生头 结 构见 图 。 氮 气的 作用是 代替压 缩空气 的 作用 ， 因为 目前 在国 内不 易获得瓶装压缩空气 ， 当然用一 台小型压缩 空气机也可 以 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1985．04．003

e Air 图1氨气泡示踪系统 图2氦气泡发生头结构 氨气工作压力1.5~2atm 氮气工作压力2atm 只有在合理的发生头结构及良好的氨气、氮气压力及适当的发泡液流量下才能获得数 目较多，气泡直径3一5毫米的氨气泡，而且还可达到‘中性浮力’的理想情况。 三、关于氨气泡发生过程的描述 弄清楚氨气泡发生过程及其影响因素，对设计和制造氨气泡发生器产生合格的‘中性浮 力’气泡来说是很重要的，通过实践观察分析氨气泡在管端生成过程为： 1)发泡液沿外管壁作层流运动，至管口因重力作用及表面张力使它汇集，暂时将管口 封住。 2)由内管流出的氢气将管口部分封口液膜推出，由于液体表面张力的作用使它逐渐在 管口形成小气泡，这时气泡内压力为p=2σ/r,表面张力σ的大小由液体性质决定。 3)当液膜由于表面张力的作用使它本身发生收缩后，管口气泡出现缩颈，这时流向小 气泡的氨气量就减少，气泡体积趋于球形，最后将气泡封闭成球形，就这样完成了一个小气 泡的发生。 4)这时如果在小气泡周围有气流存在则可将小气泡吹离管口，接着第二个小气泡就会 形成，周围气体速度大，可得直径小数目多的气泡。 5)氨气流量大，产生的氨气泡直径大，数目少，而发泡液的多少可以控制小气泡液膜 的厚薄从而控制了最终气泡的重度。 四、关于发泡液的配制 SA【公司研制了一系列氨气泡发生液，但没有：公布配方。从原理上说，凡是具有一定 表面张力的表面活性物质，都可以做发泡液，如各种洗涤剂，皂片溶液等，满足氨气泡流场 显示的目的，则还需具备以下一些性能：1)成泡量多，2)气泡直径较小且易控制，3) 气泡不易破即存在时间长，4)气泡反光性好；5)腐蚀性小，无毒。我们曾试验过一些国 内市场上出售的洗发液及洗涤剂，效果均不佳，主要是粘度不合适。要保持一定的表面张力 ·通常要求液体有较高的粘度，而加水稀释后则表面张力又不够，气泡很容易破裂。曾采用过 BX为主的阴离子表面活性物质，它能发泡，但易破裂且泡沫沿附在模型壁面上。目前配出 的另一种属于阳离子发泡液效果比较好，和美国SAI公司1035发泡液产生气泡效果相仿， 照象效果也不错，见图3,5和6。 17

泡发液。 图 氦气泡 示 踪 系统 图 氦 气泡 发生 头结构 氦气工作压力 一 氮 气工作压力 只有在合理的发生头结 构及 良好 的氦 气 、 氮 气压 力及适 当的 发 泡液流量下才能 获得数 目较多 ， 气泡 直径 毫米的 氦 气泡 ， 而且还可 达 到 ‘ 中性浮 力 ’ 的 理想情况 。 三 、 关于 氦气泡发生过程的描 述 弄清楚氦气泡发生过程 及 其影响 因素 ， 对设计和 制造氦气泡发 生器产 生合格的 ‘ 中性 浮 力 ’ 气泡 来说是很重 要 的 ， 通过 实践 观察分析 氦 气 泡 在管端 生成过程 为 发泡 液 沿外 管 壁 作层 流运 动 ， 至 管 口 因重 力 作用及 表 面张力使它 汇集 ， 暂 时将 管 口 封住 。 由内管 流 出的氦 气将管 口 部分封 口 液膜 推 出 ， 由于液体表面张 力的作用 使 它逐 渐在 管口 形成小气泡 ， 这时气泡 内压 力为 。 ， 表面张 力叮 的大小 由液体性质决定 。 当 液膜 由于 表面 张力的 作用使它 本身发生收缩后 ， 管 口 气泡 出现缩颈 ， 这 时流 向小 气泡的氦气量 就减少 ， 气泡体积 趋于球形 ， 最后 将气泡封闭成球形 ， 就 这样完成了一个小气 泡的发 生 。 这 时如果在小气泡周围 有气流存在则可将小气泡吹离管 口 ， 接着 第二个小气泡就 会 形成 ， 周 围气体速度大 ， 可得 直径 小数 目多的 气泡 。 氦气流量 大 ， 产生的氦气泡 直径大 ， 数 目少 ， 而发泡液的 多少可 以控制小气泡液膜 的厚 薄 从而控 制 了最终气泡的重度 。 四 、 关于 发泡液 的配 制 公司研 制 了一 系列氦气 泡发 生液 ， 但没 有罗公布 配方 。 从原理 上说 ， 凡是具有一定 表面 张 力的 表面 活性 物质 ， 都可 以 做发泡 液 ， 如 各种洗涤剂 ， 皂 片溶 液等 ， 满 足氦气泡流 场 显示的 目的 ， 则 还需具 备 以下 一 些性能 成泡量 多 气 泡直径较小且 易控 制 气泡 不 易破 即存在时间长， 气泡反光性好 腐 蚀性小 ， 无 毒 。 我们 曾试验过一 些国 内市 场 上出售的洗发 液及洗涤剂 ， 效 果均不佳 ， 主 要是粘度 不 合适 。 要保持一定 的 表面张 力 · 通 常要求 液体有较高 的粘度 ， 而加 水稀释后 则 表面张力又 不够 ， 气 泡很 容 易破裂 。 曾采 用过 为主 的 阴离子 表 面 活性物质 ， 它 能发 泡 ， 但 易破裂且泡沫沿 附 在模型壁面 上 。 目前配出 的 另一种属于 阳 离子发泡液效 果 比较好 ， 和 美国 公 司 发泡 液 产生气泡效 果相 仿 ， 照 象效 果 也不 错 ， 见 图 ， 和

图3氦气泡发生恃况 图4室状炉模型内三绘流扬示踪 F=5.6 S=1/15秒 F=5.6S=1/15秒 图5室状炉二维流场示踪，发泡液-自制 图6室状炉二维流场示踪，SA11035发泡 F=4 S=1/2秒 液F=5.6S=1/2秒 五、典型流型照象 下面通过一些和工业窑炉及热工设备流体流型有关的可视化技术来说明氨气泡示踪技术 的应荆效果。 18

图 氦气泡 发生情况 秒 图 室状炉模型 内三 维流场示 踪 了 秒 图 室 状炉二 维 流场 示踪 ， 发 泡液 一 自制 秒 图 宝状炉二 维 流场 示踪 ， 发泡 液 秒 五 、 典型 流 型 照 象 下面通过一些 和工 业 窑炉及热工设 备流体流型有关的可视 化技术来说明氦 气泡 示踪 技术 的应 少寸效呆

1.二维及三维迥流流型 室状炉内炉气流动情况属三维流动，有很明显的尾部回流向烧嘴主流股根部方向返回， 使用氨气泡可视化技术后得到如图4照片。另一种方法是做成一个二维模型，用同样的示踪 方法，可以获得很清晰的照片，如图5和6所示。由于采用了1/2秒的长时间曝光，故气流 迹线都连接了起来，使回流旋转运动更清晰。 2.固体障碍物后的绕流 这种流型发生在流体遇到障碍后的情况，例如燃烧器结构中的火焰稳定器，换热器管子 等管后的气体回流情况等。这种情况下回流区的大小和强弱，无疑对热工况的影响是很大 的。这完全可以通过模化技术来剖析研究，典型照片见图7和8。 图7气体绕过圆柱时清况 图8气流绕过三角摩碍后的流型 F=4S=1/2秒 ℉=5.6 S=1/2秒 3.燃烧器气体射流的可视化技术 众所周知，：燃烧器结构直接影响出口空气（或煤气）射流的性能，影响空一一燃料的 混合，从而影响火焰的长短及其放热特性，对燃烧效率及加热特性产生不可低估的影响，所 以人们很注意喷嘴的结构设计，目的之一就是要使它能产生所需要的气体射流流型。一般对 新设计的喷嘴或对需要鉴定性能的喷嘴，则需测量其出口射流速度分布，并确定共回流区的 大小、强度等。但无论用皮托管或激光测速仪，热线风速仪等都要一点一点地测量，要弄清 整个流场的全貌工作登非常大。如果利用可视化技术，就方便得多。有些构造上的问题可以 通过流场显示而一目了然，大大减少实验工作量。我们曾对RK-50重油喷嘴及某种水煤浆喷 嘴进行了氨气泡示踪的流体可视化试验，进行了观察和照象，用肉眼可以看到一些螺旋状的 示踪迹线，说明有些地方气流呈回旋运动，但大部气流是直进的。对流场进行了照象发现能 照下来的气流迹线并不多（见图9），后来采用多次曝光技术后情况就得到了改善（见图 10)。由于气流速度较高，故采用27DIN(400ASA)的胶卷，效果较好，某水煤浆喷嘴 出口射流的流场照片见图11所示， 19

二维及 三维迥 流流型 室状炉 内沪气 流动情 况属三 维 流 动 ， 有很 明显的尾部回流 向烧嘴主 流股 根部方 向返 回 ， 使用氦 气泡可视 化技术后得到如 图 照片 。 另一种方 法是做成一个二维模型 ， 用 同样的示 踪 方法 ， 可 以 获得很清晰 的照片 ， 如 图 和 所示 。 由于 采用了 秒 的长 时间 曝光 ， 故气流 迹线都 连接 了起 来 ， 使回 流旋转运动更清晰 。 固 体障碍 物后 的绕流 这种 流型 发 生 在 流体遇到障碍后 的情况 ， 例如 燃烧器结构中的 火焰稳定器 ， 换热器 管子 等 管后 的 气 沐回 流情 况等 。 这种情况下回流区 的大小和 强弱 ， 无疑对热 工工 况 的影响是 很 大 的 。 这完 全可 以 通 过模 化技术来剖析研 究 ， 典型照片见 图 和 。 图 气体 绕过 圆柱 时情 况 二 秒 图 气 流 绕过 三 角 障碍后 的流 型 二 二 秒 燃 烧器气绷动旅的可视化技 术 众所 周 知 ， 燃烧器结构直接影响 出 口 空 气 或煤 气 射流 的性能 ， 影响空 气一 燃料的 混合 ， 从而影 响火 焰 的长短及其放热特 性 ， 对 燃烧效 率及加热特性产生不可低 估的影响 ， 所 以人 们很 注 意 喷嘴 的 结 构设计 ， 目的 之一就 是 要 使它 能产 生所需要的气 体射 流 流 型 。 一 般对 新 设计 的 喷嘴 或对需 要鉴定 性能的 喷嘴 ， 则需测 量 其出 口 射 流速度分布 ， 并确定 其 回 流 区 的 大小 、 强度等 。 但无论用 皮托管或激光侧 速仪 ， 热线风速仪等都要 点一点地 测 量 ， 要 弄 清 整个流场 的 全貌工作量非常大 。 郊果利用可视化技术 ， 就 方便得多 。 有些构造 上的 问题可 以 通过流场显示而份 目了然 ， 大大减少实验工作量 。 我有 曾对 一 弱重油喷嘴及某 种 水煤浆吹 嘴进 行 了氦气泡示踪石红流体可视化试验 ， 进行 了观察和照 象 ， 用 肉眼可以着到一 些螺旋状的 示 踪迹线 ， 说 明有些地 方气 流呈 回旋运 动 ， 但大部气 流是 直进 的 。 对 流 场进行 了照 象发现能 照 下来 的 气 流迹线 并不 多 见 图 ， 后 来 采用 多 次曝 光 技术 后 情 况就 得 到 了 改善 见 图 。 由于气 流速 度较 高 ， 故 采 用 的胶 卷 ， 效 果 较好 ， 某 水 煤浆喷嘴 出 口 射流 的 流场照 片见 图 所 示

图9RK-50油嘴空气流示踪（一次曝光） F=5.6 S-1/15秒 图10RK-50油嘴空气流示踪（三次躁光） F=5.6 S=1/15移 图11水煤浆喷嘴空气射流示踪（一次曝光） F=5.6S=1/15秒 20

二维及 三维迥 流流型 室状炉 内沪气 流动情 况属三 维 流 动 ， 有很 明显的尾部回流 向烧嘴主 流股 根部方 向返 回 ， 使用氦 气泡可视 化技术后得到如 图 照片 。 另一种方 法是做成一个二维模型 ， 用 同样的示 踪 方法 ， 可 以 获得很清晰 的照片 ， 如 图 和 所示 。 由于 采用了 秒 的长 时间 曝光 ， 故气流 迹线都 连接 了起 来 ， 使回 流旋转运动更清晰 。 固 体障碍 物后 的绕流 这种 流型 发 生 在 流体遇到障碍后 的情况 ， 例如 燃烧器结构中的 火焰稳定器 ， 换热器 管子 等 管后 的 气 沐回 流情 况等 。 这种情况下回流区 的大小和 强弱 ， 无疑对热 工工 况 的影响是 很 大 的 。 这完 全可 以 通 过模 化技术来剖析研 究 ， 典型照片见 图 和 。 图 气体 绕过 圆柱 时情 况 二 秒 图 气 流 绕过 三 角 障碍后 的流 型 二 二 秒 燃 烧器气绷动旅的可视化技 术 众所 周 知 ， 燃烧器结构直接影响 出 口 空 气 或煤 气 射流 的性能 ， 影响空 气一 燃料的 混合 ， 从而影 响火 焰 的长短及其放热特 性 ， 对 燃烧效 率及加热特性产生不可低 估的影响 ， 所 以人 们很 注 意 喷嘴 的 结 构设计 ， 目的 之一就 是 要 使它 能产 生所需要的气 体射 流 流 型 。 一 般对 新 设计 的 喷嘴 或对需 要鉴定 性能的 喷嘴 ， 则需测 量 其出 口 射 流速度分布 ， 并确定 其 回 流 区 的 大小 、 强度等 。 但无论用 皮托管或激光侧 速仪 ， 热线风速仪等都要 点一点地 测 量 ， 要 弄 清 整个流场 的 全貌工作量非常大 。 郊果利用可视化技术 ， 就 方便得多 。 有些构造 上的 问题可 以 通过流场显示而份 目了然 ， 大大减少实验工作量 。 我有 曾对 一 弱重油喷嘴及某 种 水煤浆吹 嘴进 行 了氦气泡示踪石红流体可视化试验 ， 进行 了观察和照 象 ， 用 肉眼可以着到一 些螺旋状的 示 踪迹线 ， 说 明有些地 方气 流呈 回旋运 动 ， 但大部气 流是 直进 的 。 对 流 场进行 了照 象发现能 照 下来 的 气 流迹线 并不 多 见 图 ， 后 来 采用 多 次曝 光 技术 后 情 况就 得 到 了 改善 见 图 。 由于气 流速 度较 高 ， 故 采 用 的胶 卷 ， 效 果 较好 ， 某 水 煤浆喷嘴 出 口 射流 的 流场照 片见 图 所 示

六、小结 由上述几种典型的流型实验来看，将氨气泡示踪技术用于气体流型的可视化是有一定优 越性的，它具有1)能显示流场真实的迹线，2)便于照象，3)无毒无污染，使用方便。 因此，它对进行流体力学实验方面的科研及教学来说是一种比较实用的方法和手段，它可广 泛地应用于热工设备流动，通风，气体输送，风机设计等领域。实验证明，我们自制的这项 设备包括发泡液在内初步试用的结果是令人满意的。 参考文献 〔1) Richard,J.Goldstein:Fluid mechanics measurements.(1983). 〔2〕 R.W.Hale:Experimental investigation of several neutrally buoyant bubble generate for aerodynamic flow visualization.Naval Research Reviews.6(1971). (3)陈鸿复等；焦炉燃烧室物理模型，北京钢铁学院学报3(1982). AIR FLOW VISUALIZATION BY HELIUM BUBBLE TRACING TECHNIQUE Chen Hongfu,Li Baoshan,Yao Xiayi Abstract Some typical aerodynamic flow patterns that related to industrial furnaces have been successfully photographed by using the helium bubble tracing technique. The apparatus and the bubble solution are made in the laboratory of BUIST. By using a multi-exposure method more stream lines were catched in the focus,it is especially useful for studying the air flow pattern mainly affected by the jet from a coal water slurry burner,or a RK type oil burner. 21

六 、 小 结 由上述几种典型 的流型实验来看 ， 将氦 气泡示踪 技术用于 气体流型 的可视 化是 有一定优 越 性的 ， 它具有 能显示 流场 真实的迹线 ， 便于照 象 ， 无毒无污染 ， 使用 方便 。 因此 ， 它对 进行流体力学实验方面的科研 及教学来说是 一种比 较实用的 方法和 手段 ， 它可 广 泛地应 用于热 工 设备流动 ， 通风 ， 气体输送 ， 风机设计等领域 。 实验证 明 ， 我们 自制 的这项 设备 包括发泡 液 在 内初 步试用 的 结果是令人 满意的 。 参 考 文 献 ， 陈鸿复 等 焦 炉燃烧室 物理模 型 ， 北 京钢 铁学院学报 ‘沪、、护‘ 口， 沪户、 ， ， 一 ， ， 又