刘贵苏 刘诗楼 张治国 郭嘉 罗哗
(华中理工大学，武汉，430074)
摘要:三维粒子动态分析仪(s一DimensionalPartieleDynami。Analyzer)是利用激光多普勒频移
原理，来测量两相流动中球形粒子的速度、粒径、浓度等参数，从而进一步得到三维湍流流动中粒子动态特性的一种激光测速设备.在其采集过程中自动建立的数据文件是以二进制形式存贮的，而且记录的都是每个球形粒子的信息.不能直接求平均及揣流计算。本文给出了处理这些数据的基本方法，通过编制的C语言怪序得到各测点所通过的粒子数、三维速度、湍流特性以及相对体积流t，为PDA数据软件的进一步利用与开发提供了很大的方便。
关键词:三维粒子动态分析仪气固两相流
一、三维粒子动态分析仪简介
粒子动态分析仪(简称PDA)是丹麦Dante。公司制造的高精度激光测速仪器，是对激光多普勒测速仪(LDV)的进一步发展。主要由光学、机械、电子及计算机等四部分组成。图1为PDA测试系统简图.PDA测量粒子速度是基于激光多普勒效应。
其基本光束有六条，分别为蓝、绿、紫三色光.当微粒穿过六束激光所相交的控制体时，激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率与入射光的频率之差与微粒在对应两束光所在平面的垂直方向上的分速度成正比。多普勒频移九与运动速度v之间的关系为[1j:
粒径的测量基于Mie散射理论。对于球形粒子，调整散射光接收角，可使散射模式中的反射、折射二级折射最强，于是，光学接收器可接收到多普勒信号的相位移，它直接与颗粒直径有关。
接收器接收到的多普勒信号(包括相移和频移)通过光电倍增器，信号处理器及386微型计算机，按照设置和控制系统中有关的参数变换，直接将信号转换为原始数据，并将每个粒子的信息按一定的方式存在原始数据文件中。每测一个测点后，自动建立一个数据文件。
二、原始数据文件数据结构
数据文件中的所有数据都是二进制数。数据文件包括两部分:第一部分是在测量时间内通过测量控制体的每一球形粒子的二进制信息，包括状态量(status)，到达时间(arrivetime)，渡越时l可(tramsittime)，三维速度(u，v，w)及粒径(diameter)，每个粒子共有13个字节。单相时，示踪粒子很小，无粒径(D)这一项，共有n字节。按到达时间的先后顺序将每个粒子的信息贮存起来。第二部分为数据文件头，包括测量时间、维数、总粒子数、球形粒子数等参数的记录，共有236个字节.在测量前，必须对采集系统进行参数设定，并建立一个参数文件(P盯amete:fil。)，包括整型数组IsTuP(100)和实型数组sTuP(100，3)，在处理原始文件时，需从参数文件中取出参数进行计算。
三、原始数据转换
原始数据转换就是将每个粒子的二进制信息转换成实数信息。转换前，需对数据文件及参数文件中的二进制数按顺序取出，放入程序设定的数组中，然后再计算。文献「幻给出了详细的转换公式.所有取数、转换及计算都由程序自动执行。转换后可以得到每一球形粒子的AT，了了，D，u，v，w等七个十进制数。
四、粒子平均量及湍流特性的计算
1.光学坐标来下平均速度的计算
直径较大的粒子，由于惯性较大，在湍流流动中跟随性较差.例如，煤粉空气两相流中，大粒子(一般直径大于150拌m)就不能很好地模拟煤粉颗粒在气流中的流动.同时，在激光测量中，当粒子通过测量体时，粒子数目较小，不同速度的粒子通过控制体的概率不同，会造成速度统计的误差。因此，在对粒子速度取平均时，应考虑粒子直径范围，即对参加平均的粒子进行筛选，而且采用渡越时间7，T力口权平均，以减小速度偏差。速度平均公式为:
式中，N为直径范围内球形粒子数，丁T‘为第i个粒子的渡越时间，j为光学坐标系下的速度方向。
2.直角坐标下速度换茸
设得到的光学坐标系下的三个方向速度分量为u，o，w，其中“垂直于xoy平面，记a，β为v，w与x坐标轴的安装角，且v,w两速度一般垂直。图2为xoy平面内速度方向示意图。这样，将光学坐标系下速度分量转换为直角坐标系下速度分量u二，u，，u二的公式如下[3j:
3.平均拉径的计葬
粒径的平均，采用体平均法，其公式为
式中，N为直径范围内球形粒子数，Di为第i个粒子直径。
4.瑞流强度的计算
湍流强度定义为平均脉动值与平均速度值之比，计算公式为
式中，为为光学坐标下j方向上第i粒子的速度分量，u为光学坐标下j方向上的粒子平均速度.
注意，湍流强度Tj是光学坐标系下的，需对其换算成直角坐标系下的湍流强度，转换公式与速度转换相似.
五、粒子体积流量的计算
在研究气固两相流动特性时，粒子浓度的确定具有很重要的意义。煤粉空气流中浓度一般表达为每公斤空气中所含煤粉的质量，如果忽略密度因素，则以体积流量表示，即单位体积空气中所含粒子的体积总和。因此，体积流量的计算需知道通过控制体中的粒子总数、粒子直径、空气流动速度、控制体截面积及测量时间，但这些数据不可能同时得到，因此，对流量的计算作以下假设:
1.假设通过控制体所有粒子都为球形;
2.粒子的平均直径以采集到的球形粒子平均直径代入计算;
3.实验中测得的是粒子速度，与空气速度有一定的滑移，在流动较均匀时，可以假定各测点滑移程度相同，即由粒子速度来计算空气流速的修正系数近似相同，因计算得的体积流量为相对值，这里用粒子平均速度代替空气速度;
4.控制体截面积跟光学设置有关，实际测量中无法给出，这里假设截面积相同;
因此，简化的相对体积流量表达为:
式中，D为所有球形粒子平均直径，反为所有球形粒子平均速度，山为测量时间。
六、数据处理程序的编制
图3为数据处理程序框图.程序说明如下:
1.该程序采用C语言编制，具有模块化结构;
2.程序能自动检测数据文件字节数，采用多重循环方式，将所有文件一次性处理完，灵活方便，大大减少了工作量;
3.程序执行过程中，将自动建立一个PDADAT数据文件，以存放每一测点的主要结果。
参考文献
[1]盛森芝，沈熊，舒玮.流速侧童技术.北京:北京大学出版社，1987
[2]DantecComPany.ThePDAUser，5Mannual.Germnny:HardyPublisllingHouse.1986
[3]李万平.钝体稳燃器回流区的湍流结构与拉子动态特性.北京:中国工程热物理学会第八届年会燎烧学学术会议论文集，1992
[4]谭浩强.C语言程序设计.北京:清华大学出版社，199。
