CN101251434A - 一种滴头迷宫流道内流场特性的测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种滴头迷宫流道内流场特性的测试系统及方法，其根据粒子图像测速原理，利用自行开发的示踪荧光粒子在滴头平面模型中构建流场特性的测试系统，同时采用显微镜物镜改装常规CCD相机，充分发挥CCD相机与电子显微镜的特色，实现拍摄区域与数字图像分辨率的和谐统一；并通过软件对观测的流动平均场进行分单元测试结果的拼接，实现了滴头迷宫流道流场特性的全场测量。
Description
技术领域
本发明涉及流场特性的测试技术，尤其涉及一种滴头迷宫流道内流场特性的测试系统及方法。
背景技术
微尺度流体力学是介于经典宏观流体力学与微观力学之间的研究领域，主要研究特征尺度在毫米至微米范围内的流体流动规律。微尺度下迷宫型流道由于其边界曲折能使流体发生紊乱，从而减小压力对流量的敏感性这一特性而得到广泛应用。迷宫型流道滴头就是一典型例子，其流道内流场特性的测量对微流体特性的研究及高抗堵塞性能滴头的设计都有很大作用，然而由于滴头流道狭窄且边界复杂，原型试验在技术(常规滴灌管带不透明)和经济上都比较困难，常规手段难以满足其流场测试要求。
目前存在利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)分析方法对滴头迷宫流道内部水流流动特性进行探索性研究，但在进行CFD数值模拟时对层流/湍流模型均有采用，然而滴头内部流体流动是为层流抑或湍流却尚待进一步论证。现有技术中另有研究人员通过构建滴头流道的放大模型，并利用激光多普勒测速仪对放大模型内部的流体流动进行观测，但该研究仅属于单点测量技术，难以实现对流场的全场、瞬态测量，同时该研究利用放大模型也没有考虑滴头流道的滴头流道边界层相似问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种滴头迷宫流道内流场特性的测试系统及方法，以克服现有技术不能实现滴头迷宫流道内流场全场测量的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采取以下方案：
一种滴头迷宫流道内流场特性的测试系统，所述系统包括：
滴头模型装置，用于模拟滴头的迷宫流道形状；
粒子布撒装置，用于在所述滴头模型装置中布撒跟随流场运动的示踪荧光粒子；
激光发生装置，用于产生激光光源，激发所述示踪荧光粒子成像；
图像采集装置，用于采集所述示踪荧光粒子成像；
图像处理装置，与所述图像采集装置连接，对所述成像进行处理分析以获取流场特性参数分布。
其中，所述系统还包括：
同步控制装置，用于控制所述激光发生装置和所述图像采集装置的同步运行。
其中，所述图像采集装置包括显微镜物镜、自制联接件及CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机；
所述CCD相机通过自制联接件与显微镜物镜联接，根据拍摄区域的大小，对所述滴头模型装置中的示踪荧光粒子成像进行分段采集。
其中，所述图像处理装置包括：
测试处理单元，对所述图像采集装置采集的示踪荧光粒子成像进行处理，获取分段测试结果；
数据拼接单元，通过软件对所述分段测试结果进行拼接，获取全场测试结果。
其中，所述滴头模型装置包括：
不锈钢板，具有采用数控电火花线切割技术加工的滴头迷宫流道形状；
有机玻璃挡板，设置于加工后的所述不锈钢板两侧。
其中，所述示踪荧光粒子的材料选用聚苯乙烯，布撒浓度为1％-2％；并且利用绿色激光激发，激发荧光波段为620nm。
一种滴头迷宫流道内流场特性的测试方法，所述方法包括以下步骤：
A：对滴头迷宫流道的几何参数进行测量；
B：根据所述测量的结果制备滴头平面模型；
C：在所述滴头平面模型中布撒示踪荧光粒子跟随流场运动，利用激光激发所述示踪荧光粒子成像，对所述成像进行采集；
D：根据所述示踪荧光粒子的成像计算得到流场特性参数分布。
其中，步骤A进一步包括：
A1：挑选至少一个滴头进行纵向剖面测量，选取流道深度、流道宽度的最小值作为流道的深度值、第一宽度值；
A2：利用数码相机对流道压痕拍照成图，并作为底图在计算机辅助设计CAD工具上描绘完整流道；
A3：利用所述CAD工具的测量功能在描绘的流道上量测流道的第二宽度值，根据所述第二宽度值与第一宽度值的比值计算获取流道所有几何参数。
其中，步骤B进一步包括：
B1：采用数控电火花线切割技术在不锈钢板上加工滴头流道，所述不锈钢板的厚度为根据步骤A测量得到的所述滴头迷宫流道的深度；
B2：在所述不锈钢板两侧设置有机玻璃挡板，并将所述有机玻璃挡板与所述不锈钢板进行粘接。
其中，步骤D进一步包括：
D1：采用滤波片滤色以去除所述滴头平面模型表面噪声干扰，并分段采集粒子成像；
D2：对所述分段采集的粒子成像进行处理分析，得到分单元测试结果；
D3：通过软件对所述分单元测试结果进行拼接实现全场测量，以获取流场特性参数分布。
(三)有益效果
本发明有如下优点：其利用精密读数显微镜与CAD技术相结合的测量方式量测流道几何参数，并采用不锈钢电火花线切割技术制备滴头迷宫流道平面模型；在此基础上根据粒子图像测速原理和方法，利用自行开发的示踪荧光粒子构建滴头迷宫流道内流场特性的测试系统，并采用显微镜物镜改装常规CCD相机，充分发挥CCD相机与电子显微镜的特色，实现拍摄区域与数字图像分辨率的和谐统一；最后通过软件对观测的流动平均场进行分单元测试结果的拼接，实现了滴头迷宫流道流场特性的全场测量。
附图说明
图1是本发明滴头迷宫流道内流场特性的测试系统示意图；
图2是本发明滴头迷宫流道内流场特性的测试方法流程图；
图3是本发明实施例的滴头迷宫流道形状图；
图4a-4b是本发明实施例的测试结果图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，为本发明滴头迷宫流道内流场特性的测试系统示意图，包括滴头模型装置110，用于模拟滴头的迷宫流道形状；粒子布撒装置120，用于在滴头模型装置110中布撒跟随流场运动的示踪荧光粒子；激光发生装置130，用于产生激光光源，激发示踪荧光粒子成像；图像采集装置140，用于采集示踪荧光粒子成像；图像处理装置150，与图像采集装置140连接，对成像进行处理分析以获取流场特性参数分布；同步控制装置160，用于控制激光发生装置130和图像采集装置140的同步运行。
为进行滴头迷宫流道内的流动测试，关键需要解决塑料滴头模型本身的圆柱型以及不透明问题。本发明测试系统实施例中，采用不锈钢电火花线切割技术构建滴头模型装置。首先在不锈钢板111上根据预先测量获取的滴头迷宫流道几何参数采用数控电火花线切割技术加工滴头流道，并在加工后的不锈钢板111两侧设置有机玻璃挡板112、113以制备滴头模型装置110。
关于粒子布撒装置120对示踪荧光粒子的采用，目前国外已有科研院所开发了示踪粒子，但由于在平面模型制作过程中难免会有强力胶或者划痕出现，从而导致拍摄图像出现噪声，影响流速测量精度。因而本发明测试系统需要引入平面激光诱导荧光技术，示踪采用荧光粒子，利用滤波片滤掉荧光以外的噪声。国外已有公司成功地开发相应的荧光粒子，但价格极为昂贵，只有在微管道流体流动研究中才有可能采用；另外其产品也多为空心玻璃球，在进行滴头流道流动测试过程中容易被水泵叶轮击碎而导致颗粒破坏丧失荧光特性，而国内则还没有产品问世。基于示踪粒子的跟随性良好，大小合适，散射或荧光效应强度的要求，本发明测试系统的示踪荧光粒子试验材料选用聚苯乙烯，密度约为1.02Kg/m3，与水接近，稍有扰动就能够完全离底悬浮，其平均粒径约在10μm-15μm左右。示踪荧光粒子对于照射其上的激光有很好的散射效应，其利用绿色激光激发，激发荧光波段在620nm。在通过滤波片滤色后，图像质量较好，去除了全部平面模型表面噪声干扰。另外，通过试验得到对于荧光粒子浓度在1％-2％较为合适。
关于图像采集装置140及图像处理装置150，一般图像测速法的图像采集处理部分主要由跨帧CCD相机、滤波片、图像采集板和计算机组成，而对于面向微管流动测试则通常是在CCD相机前加设电子显微镜。本发明的测试系统实施例中图像采集装置140部分选用Kodak MEGAPLUS II(分辨率1600×1200)CCD相机143。由于滴头流道尺寸一般在0.5mm-1.2mm之间，齿尖距通常在3.0mm-5.0mm之间，属于介于微尺度(1μm-1mm)和常规尺度(＞1mm)之间的临界尺度的流体流动问题，所以当仅采用CCD相机进行测试时，拍摄区域会因过大导致图像质量较低同时使测试精度极低，而当添加电子显微镜进行测试时，拍摄的区域则会过小，一般只能拍摄齿尖附近0.5mm×0.5mm的范围，对于流道流动特征无法显示。本发明的测试系统实施例中图像采集装置140部分则对CCD相机143进行改装，将相机镜头换接成显微镜物镜141(规格：4倍)，并利用自制联接件142进行联接，充分发挥CCD相机与电子显微镜的特色，实现拍摄区域(4mm×4mm)与数字图像分辨率的和谐统一。同时，在图像处理装置150部分，进一步设置测试处理单元151及数据拼接单元152，其中测试处理单元151对图像采集装置140采集的粒子成像进行处理以获取分段测试结果，其具体通过图像分析处理软件实现，前期主要使用MicroVec Version 2.0进行速度计算处理和显示，后期则使用Tecplot 9.0软件进行涡量场、等速度线、流线以及三维等高图的显示；而数据拼接单元152则通过软件对分段测试结果进行拼接获取全场测试结果。
关于激光发生装置130部分，由于激光器的能量高、方向性好、稳定性好、单色性和脉冲控制等优点，其已作为照明光源广泛应用于数字式粒子图像测速领域中。本发明的测试系统实施例中使用的双脉冲激光器是LABEST公司的调Q Nd:YAG激光器，单台激光器的各项主要技术参数如下：工作频率10Hz、波长532nm、激光能量50mJ，脉冲宽度6-8ns，发散角0.6mrads、超高斯光斑模式、双脉冲时间间隔小于1μs。
本发明实施例还提出一种滴头迷宫流道内流场特性的测试方法，如图2所示，包括以下步骤：
S201、随机挑选至少一个滴头进行纵向剖面测量，选取流道深度、流道宽度的最小值作为流道的深度值、第一宽度值。
以挑选3个滴头测量流道几何参数为例，分别取三个滴头的流道宽度、流道深度的最小值。将滴灌管纵向剖开，深度使用裸露的滴头截片测量，宽度则在PE管内壁流道压痕上测量，具体可选用上海光学仪器厂生产的JC-10读数显微镜(测量精度±0.01mm，量程4mm)进行观测。下表1迷宫式流道滴头的基本特性表为实验中量测得的一组结果，其中，流道长度为水流通过路径中心线的长度。
表1
| 管径Ф/mm | 最大流道宽度Wmax/mm | 最小流道宽度Wmin/mm | 流道深度D/mm | 流道长度L/mm |
| 16 | 1.08 | 1.08 | 0.85 | 360 |
S202、利用数码相机对流道压痕拍照成图，并作为底图在计算机辅助设计CAD工具上描绘完整流道。其中，CAD工具可选用业界常用的AutoCAD 2004，本实施例中描绘的流道形状如图3所示。
S203、利用CAD工具的测量功能量测流道的第二宽度值，根据第二宽度值与第一宽度值的比值计算获取流道所有几何参数。
S204、采用数控电火花线切割技术在不锈钢板上加工滴头流道，不锈钢板的厚度为根据步骤S201测量得到的滴头迷宫流道的深度。
S205、在不锈钢板两侧设置有机玻璃挡板，并将有机玻璃挡板与不锈钢板进行粘接。
在流道钢板两侧设置有机玻璃挡板制备而成的滴头平面模型，可解决滴头本身的圆柱型以及不透明问题，钢板与有机玻璃挡板之间可用强力胶水粘结，使水流在流道中流过以测定设计流道的水力性能，流道的进口采用绿源公司生产的微管接头(直径为φ4mm，采用较大的进口尺寸可以减少进口段对流道压力的影响)。
S206、在滴头平面模型中通过布撒示踪荧光粒子跟随流场运动，拍摄粒子成像。
为确保测量精度，本发明滴头迷宫流道流体特性的测试方法需要引入平面激光诱导荧光技术。国外已有公司成功开发出相应的荧光粒子，但其产品多为空心玻璃球，在测试过程中容易被水泵叶轮击碎而导致颗粒破坏丧失荧光特性，并且其价格极为昂贵，只有在微管道流体流动研究中才有可能采用，而国内则还没有相关产品问世。基于示踪粒子的跟随性良好、大小合适、散射或荧光效应强度的要求，本发明测试方法中示踪荧光粒子的材料选用聚苯乙烯，密度约为1.02Kg/m3，与水接近，稍有扰动就能够完全离底悬浮，平均粒径约在10μm-15μm左右。粒子利用绿色激光激发，激发荧光波段在620nm，对于照射其上的激光有很好的散射效应，另外经过试验对于荧光粒子浓度为1％-2％较为合适。
S207、采用滤波片滤色去除所述滴头平面模型表面噪声干扰，并分段采集粒子成像。
S208、对分段采集的粒子成像进行处理分析计算得到分单元测试结果。
S209、通过软件对分单元测试结果进行拼接实现全场测量，以获取流场特性参数分布。
以滴头迷宫流道的流速测试为例，可分别选取滴头流道在1.0Mpa、5.0Mpa、10.0Mpa、15.0Mpa四种压力条件下进行典型流道近中心截面流速分布的测试，后期借助Tecplot9.0软件对流速测试结果进行处理，对分段测试结果拼接，图4a至图4b分别为1.0-15.0Mpa四种压力条件下的测试结果图。由实验结果可知，在四种压力条件下迷宫流道内部流体流动都呈复杂的紊流状，在1.0-15.0Mpa压力范围内都为紊流，说明在滴头工作压力范围内(1.0-15.0Mpa)迷宫流道内部流体流动并未存在流态转捩，因而在进行CFD数值模拟时都可以采用紊流模型。同时，随着压力的增加，迷宫流道内部流速增加，随着压力的增加流速递增的幅度也越来越小；该迷宫流道在整个单元段内一定数量的漩涡，在四种压力条件下(个别高流速点除外)流速分布特征相似。
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。
Claims (10)
1. 一种滴头迷宫流道内流场特性的测试系统，其特征在于，所述系统包括：
滴头模型装置，用于模拟滴头的迷宫流道形状；
粒子布撒装置，用于在所述滴头模型装置中布撒跟随流场运动的示踪荧光粒子；
激光发生装置，用于产生激光光源，激发所述示踪荧光粒子成像；
图像采集装置，用于采集所述示踪荧光粒子成像；
图像处理装置，与所述图像采集装置连接，对所述成像进行处理分析以获取流场特性参数分布。
2. 如权利要求1所述滴头迷宫流道内流场特性的测试系统，其特征在于，所述系统还包括：
同步控制装置，用于控制所述激光发生装置和所述图像采集装置的同步运行。
3. 如权利要求1所述滴头迷宫流道内流场特性的测试系统，其特征在于，所述图像采集装置包括显微镜物镜、自制联接件及电荷耦合器件CCD相机；
所述CCD相机通过自制联接件与显微镜物镜联接，根据拍摄区域的大小，对所述滴头模型装置中的示踪荧光粒子成像进行分段采集。
4. 如权利要求1或3所述滴头迷宫流道内流场特性的测试系统，其特征在于，所述图像处理装置包括：
测试处理单元，对所述图像采集装置采集的示踪荧光粒子成像进行处理，获取分段测试结果；
数据拼接单元，通过软件对所述分段测试结果进行拼接，获取全场测试结果。
5. 如权利要求1所述滴头迷宫流道内流场特性的测试系统，其特征在于，所述滴头模型装置包括：
不锈钢板，具有采用数控电火花线切割技术加工的滴头迷宫流道形状；
有机玻璃挡板，设置于加工后的所述不锈钢板两侧。
6. 如权利要求1所述滴头迷宫流道内流场特性的测试系统，其特征在于，所述示踪荧光粒子的材料选用聚苯乙烯，布撒浓度为1％-2％；并且利用绿色激光激发，激发荧光波段为620nm。
7. 一种滴头迷宫流道内流场特性的测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A：对滴头迷宫流道的几何参数进行测量；
B：根据所述测量的结果制备滴头平面模型；
C：在所述滴头平面模型中布撒示踪荧光粒子跟随流场运动，利用激光激发所述示踪荧光粒子成像，对所述成像进行采集；
D：根据所述示踪荧光粒子的成像计算得到流场特性参数分布。
8. 如权利要求7所述滴头迷宫流道内流场特性的测试方法，其特征在于，步骤A进一步包括：
A1：挑选至少一个滴头进行纵向剖面测量，选取流道深度、流道宽度的最小值作为流道的深度值、第一宽度值；
A2：利用数码相机对流道压痕拍照成图，并作为底图在计算机辅助设计CAD工具上描绘完整流道；
A3：利用所述CAD工具的测量功能在描绘的流道上量测流道的第二宽度值，根据所述第二宽度值与第一宽度值的比值计算获取流道所有几何参数。
9. 如权利要求7所述滴头迷宫流道内流场特性的测试方法，其特征在于，步骤B进一步包括：
B1：采用数控电火花线切割技术在不锈钢板上加工滴头流道，所述不锈钢板的厚度为根据步骤A测量得到的所述滴头迷宫流道的深度；
B2：在所述不锈钢板两侧设置有机玻璃挡板，并将所述有机玻璃挡板与所述不锈钢板进行粘接。
10. 如权利要求7所述滴头迷宫流道内流场特性的测试方法，其特征在于，步骤D进一步包括：
D1：采用滤波片滤色以去除所述滴头平面模型表面噪声干扰，并分段采集粒子成像；
D2：对所述分段采集的粒子成像进行处理分析，得到分单元测试结果；
D3：通过软件对所述分单元测试结果进行拼接实现全场测量，以获取流场特性参数分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080827 |