CN100370259C - 水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置 - Google Patents

Abstract

一种水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其激发装置的前端与连接头相连接，动力装置与激发装置之间通过连接器相连。动力装置包括驱动泵，与驱动泵相连、设于驱动筒内的驱动杆，驱动杆另一端与连接器相连；激发装置包括激发腔及设于激发腔内的活塞，活塞杆即为激发杆，其尾端与连接器相连；一端与活塞固定连接的弹簧设于激发杆上，弹簧的另一端固定于激发腔上，激发腔上还设有待投放液加料口，加料口上设有阀门；激发腔前端通过单向阀与连接头相连接。本发明解决了背景技术在高速、密闭水流场环境投放示踪粒子时达不到PIV成像测试要求的技术问题。本发明结构简单，工作性能稳定、可靠，简单操纵即可储能激发，工作效率高。

Description

水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置

技术领域

本发明属于水流场测量仪器领域，是一种高速的示踪粒子投放装置，主要用于将水流场示踪粒子快速投放到被测水流场中，用于流场显示与分析。具体涉及一种水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置。

背景技术

粒子图像测速技术简称PIV，是目前新兴的一种瞬态流场测量技术，PIV测试随之具有整体性和瞬时性，可定量测量流场中某一被测截面上所有点的速度分布，测量结果也是流场瞬间状态的反应，因此，PIV在测量快速变化的流场时具有重要的作用。PIV可用于测量气体和液体的流场，在测量不同流场时需要使用不同的示踪粒子。在水流场测试方面PIV技术已广泛应用于研究水涡流、湍流等复杂的流动结构，并且可获得传统测试技术无法观察到的许多流动瞬态结构。

PIV通过在流场中投放示踪粒子，利用满足跟随性的粒子运动来表征当地流体的运动，用二维片光光源照亮流场中某一被测区域，通过连续两次或多次曝光，将粒子的图像记录在底片或CCD相机上，对图像上每一点进行运算得到整个被测区域内瞬时流场的速度分布。示踪粒子投放装置是PIV系统的重要组成部分之一，它主要完成将示踪粒子加入到被测流场中的功能。

一般情况下采用PIV进行水流场测量的研究场地都在类似水槽或鱼缸的开放环境中进行，这种条件下被测的水流场速度较低，小于3米/秒，因此，示踪粒子投放系统布置方便、灵活，无需专用的示踪粒子投放装置，甚至可用人工方法进行粒子的投放。

但PIV在高速、密闭的试验水洞环境应用中，水流速度快，可达十几米/秒或更快，水洞密闭体周围存在较大水压，示踪粒子的投放变得困难。进行高速水流场测试时，由于水流速度快，因此投放速度要求快速才能保证投放的粒子在一定区域内达到测量所需的浓度分布，投放速度慢则导致在测量截面上粒子的分布非常稀疏，达不到粒子成像测量的要求，使测量无法进行。

高压水枪是连续工作式的结构，以水泵作动力源，连续、快速将水喷出。高压水枪的结构方式使其达不到示踪粒子投放时高流速及高压密闭环境的要求；

发明内容

本发明的目的在于提供一种水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其解决了背景技术在高速、密闭水流场环境投放示踪粒子时，达不到PIV成像测试要求，使测量无法进行的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，包括动力装置和激发装置，其特殊之处在于：它还包括与测试环境连通的连接头13，所述激发装置的前端与连接头13相连接，所述的动力装置与激发装置之间通过连接器4相连接；所述的动力装置包括驱动泵1，与驱动泵1相连、设置于驱动筒3内的驱动杆2，该驱动杆2的另一端与连接器4相连接；所述的激发装置包括激发腔10及设置于激发腔10内的活塞7，所述活塞7的活塞杆为激发杆14，该激发杆14的尾端与连接器4相连接，一端与所述活塞7固定连接的弹簧6设置于激发杆14上，所述弹簧6的另一端固定于激发腔10上，所述的激发腔10上还设置有待投放粒子混合液加料口8，该加料口8上设置有阀门9；所述激发腔10的前端通过单向阀11与连接头13相连接。

上述连接器4可为套筒状，其与激发杆14相连的一端设置有脱开口17；所述激发杆14的尾端设置有凸锁扣16；所述的脱开口(17)与凸锁扣(16)通过连接器(14)作绕轴偏转的锁紧、脱开配合。

上述连接器4可为套筒状，其与驱动杆2相连的一端设置有脱开口17；所述驱动杆2上设置有凸锁扣15；所述的脱开口(17)与凸锁扣(15)通过连接器(14)作绕轴偏转的锁紧、脱开配合。

上述连接器4是可与激发杆14或驱动杆2作锁紧、脱开配合的快速离合器。

上述单向阀11与连接头13之间以设置球阀12为宜。

上述连接器4可设置激发手柄5，激发手柄5的前端与激发杆14上的凹槽相嵌配合，该激发手柄5可使示踪粒子的投放时间更准确，便于控制。

上述驱动泵1以采用液压泵为佳，也可采用高压气泵。

上述连接头13可与测试环境壁固定连接。

本发明具有以下优点：

1.本发明为一次性激发工作的结构方式，采用弹簧激发，可获得100公斤或更高的激发力，从而可实现向高压、密闭水流场测试环境高速投放示踪粒子；

2.人工手动简单操纵即可储能激发，工作效率高；

3.结构简单，工作性能稳定、可靠，使用安全；

4.单向激发导通，能可靠阻止高压、密闭被测流场中液体的反流倒灌；

5.在单向阀与连接头之间设置球阀，对本发明起保护作用，同时也便于维修。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明连接器、凸锁扣、脱开口的结构示意图；

图3为本发明连接器与凸锁扣为脱开状态的结构示意图；

图4为本发明连接器与凸锁扣为锁紧状态的结构示意图。

附图标号说明：1-驱动泵，2-驱动杆，3-驱动筒，4-连接器，5-激发手柄，6-弹簧，7-活塞，8-加料口，9-阀门，10-激发腔，11-单向阀，12-球阀，13-连接头，14-激发杆，15-凸锁扣，16-凸锁扣，17-脱开口。

具体实施方式

本发明是一种用于流场显示与分析的仪器，利用投放在流场中的示踪粒子的运动来表征流体运动，通过对示踪粒子进行成像，图像通过相关运算后，便可获得被测流场的流动速度与流场分布情况。当被测流场为高速密闭的水流场时，需要使用高速示踪粒子投放装置来完成粒子投放。本发明具体即用于将示踪粒子有序地快速投放到被测流场中。

参见图1，本发明主要由动力装置、连接器4、激发装置和连接头13组成。动力装置的动力源为驱动泵1，驱动泵1采用液压泵较佳。空气压缩机提供的空气压力最大一般可达16公斤，本发明若应用于速度、压力要求较低的环境时，驱动泵1亦可采用高压气泵。驱动泵1与驱动筒3内的驱动杆2相连，带动驱动杆2伸缩。激发装置的激发腔10内设置有活塞7，活塞7的活塞杆即为激发杆14。激发杆14与驱动杆2通过连接器4相连接锁紧或脱开。激发杆14与驱动杆2锁紧连为一体时，驱动杆2带动激发杆14回缩，弹簧6被压缩，可储备势能。连接器4使激发杆14与驱动杆2脱开时，弹簧6的恢复力推动活塞7在激发腔10内快速移动。激发腔10上设有待投放粒子混合溶液的加料口8，该加料口8上设置有阀门9。连接头13是与测试环境的壁固定连接，激发腔10的前端通过单向阀11与连接头13相连接。采用单向阀11可防止被测流场中液体反流或倒灌。由于流场环境的密闭、高压，宜在单向阀11与连接头13之间设置球阀12。球阀12在不工作时关闭，对本发明起保护作用，同时也便于维修。参见图2，连接器4可采用套筒状连接器，在与激发杆14相连的一端设置脱开口17，或在与驱动杆2相连的一端设置有脱开口17，激发杆14或驱动杆2上设置有凸锁扣16或15。即，连接器4与激发杆14或驱动杆2之一为固定连接时，与另一则为可锁紧、脱开的配合。锁紧、脱开的配合通过绕轴偏转套筒状连接器14实现。连接器4亦可使用公知的快速离合器。

使用时，关闭球阀12，打开加料口8的阀门9，使激发腔10与空气连通。操作驱动泵1工作，使驱动杆2前伸，至连接器4将驱动杆2和激发杆14连为一体。操作驱动泵1反向工作，驱动杆2回缩，带动激发杆14、活塞7回缩，压缩弹簧6。将示踪粒子混合溶液约200ml搅拌均匀，由加料口8倒入激发腔10内，关闭阀门9。打开球阀12，偏转或旋转通过连接器4使驱动杆2和激发杆14脱开，瞬间释放弹簧势能，在活塞7的快速推动下，激发腔10内的粒子混合溶液经连接头13快速注入被测流场中。关闭球阀，完成一次投放过程。为使示踪粒子的投放时间更准确，且便于控制，连接器4可设置激发手柄5，激发手柄5的前端与激发杆14上的凹槽相嵌配合。激发时，先操纵连接器4使驱动杆2和激发杆14脱开，再操纵激发手柄5释放激发杆14。

采用本发明进行示踪粒子投放，投放位置一般应位于流场的上游。粒子投放后到达被测区，PIV系统探测到示踪粒子的到来，启动曝光与成像装置。为确保能获得双曝光粒子图像，示踪粒子分布应具有一定厚度。一般至少应分布在以被测面为横截面、长度为1米的柱状体内，这样当水流速度为10米/秒时，投放时间需0.1秒才能使粒子充满1米的水柱。测试中将示踪粒子与水搅拌至适当浓度后进行投放，混合溶液的体积至少为0.2升。如要在0.1秒投放完毕，则装置的出口流量至少为2升/秒，即120升/分钟。

Claims (8)

1.一种水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，包括动力装置和激发装置，其特征在于：它还包括与测试环境连通的连接头(13)，所述激发装置的前端与连接头(13)相连接，所述的动力装置与激发装置之间通过连接器(4)相连接；所述的动力装置包括驱动泵(1)，与驱动泵(1)相连、设置于驱动筒(3)内的驱动杆(2)，该驱动杆(2)的另一端与连接器(4)相连接；所述的激发装置包括激发腔(10)及设置于激发腔(10)内的活塞(7)，所述活塞(7)的活塞杆为激发杆(14)，该激发杆(14)的尾端与连接器(4)相连接，一端与所述活塞(7)固定连接的弹簧(6)设置于激发杆(14)上，所述弹簧(6)的另一端固定于激发腔(10)上，所述的激发腔(10)上还设置有待投放液加料口(8)，该加料口(8)上设置有阀门(9)；所述激发腔(10)的前端通过单向阀(11)与连接头(13)相连接；所述的连接器(4)与激发杆(14)或驱动杆(2)之一为固定连接，与另一则为锁紧、脱开的配合。

2.根据权利要求1所述的水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其特征在于：所述的连接器(4)为套筒状，其与激发杆(14)相连的一端设置有脱开口(17)；所述激发杆(14)的尾端设置有凸锁扣(16)；所述的脱开口(17)与凸锁扣(16)通过连接器(4)作绕轴偏转的锁紧、脱开配合。

3.根据权利要求1所述的水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其特征在于：所述的连接器(4)为套筒状，其与驱动杆(2)相连的一端设置有脱开口(17)；所述驱动杆(2)上设置有凸锁扣(15)；所述的脱开口(17)与凸锁扣(15)通过连接器(4)作绕轴偏转的锁紧、脱开配合。

4.根据权利要求1所述的水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其特征在于：所述的连接器(4)是与激发杆(14)或驱动杆(2)作锁紧、脱开配合的快速离合器。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其特征在于：所述的单向阀(11)与连接头(13)之间设置有球阀(12)。

6.根据权利要求5所述的水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其特征在于：所述的连接器(4)包括激发手柄(5)，该激发手柄(5)的前端与激发杆(14)上的凹槽相嵌配合。

7.根据权利要求6所述的水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其特征在于：所述的驱动泵(1)为液压泵或高压气泵。

8.根据权利要求7所述的水流场粒子成像测速系统中示踪粒子的高速投放装置，其特征在于：所述的连接头(13)是与测试环境壁固定连接的连接头。