CN101718617B - 一种风洞用piv示踪粒子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风洞用PIV示踪粒子及其制备方法，该风洞用PIV示踪粒子以淀粉或花粉颗粒材料为芯核，并在芯核的表面包覆一层0.5wt％2wt％的有机物薄膜构成。该风洞用PIV示踪粒子的粒度为0.5μm～22μm、密度为0.5g/cm3～2.0g/cm3。制备风洞用PIV示踪粒子首先选取轻质材料，对其进行超细粉碎处理，获得粒度0.2μm～20μm的芯核颗粒，然后在其表面包覆一有机物薄膜，使其表面由亲水性表面变为疏水性表面，防止其在空气中吸附水蒸气而团聚，并提高芯核颗粒的分散性以及流动性，使其能够在空气流场中均匀分散，并具有良好的流动跟随性。该方法具有工艺简单、稳定可靠、成本低等优点，采用该方法所制备的风洞用PIV示踪粒子能够在风洞中均匀分散，具有良好的流场跟随性，性能优异且稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种PIV示踪粒子，更特别地说，是指一种适用于风洞实验用的PIV示踪粒子，该PIV示踪粒子以轻质材料颗粒为芯核，并在芯核表面包覆有机物薄膜。
背景技术
风洞实验是空气动力学研究中最基本的研究手段之一，其中的测试技术作为风洞实验的重要组成部分，其性能的优劣将直接影响风洞实验的效果。随着计算机及图像处理技术的发展，风洞测试技术也在飞速发展，PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法)测试技术目前被广泛地引入到风洞流场测量中。其测速原理是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移量来间接地测量流场中瞬态的速度分布。因此，示踪粒子在PIV测速中非常重要。
目前，风洞实验中常用的PIV示踪粒子主要有以下几类：第一类是将液体雾化成液滴作为示踪粒子，如将石蜡油雾化成液滴，虽然这类示踪粒子在风洞流场中跟随性好，但会粘附在风洞壁及整流网上，给风洞带来污染；第二类是借用水洞中常用的示踪粒子，如二氧化钛颗粒、二氧化硅颗粒、三氧化二铝颗粒、氧化镁颗粒、玻璃微珠、滑石粉、铝粉、镁粉，由于这类示踪粒子密度高，在风洞流场中跟随性较差，而且由于其硬度高，在风洞实验中，容易磨损风洞中的模型、风扇或轴流式压缩机轴承等部件，影响风洞的正常运行；第三类是聚苯乙烯等高分子颗粒，这类示踪粒子密度在1.1g/cm3左右，流场跟随性好，而且也不容易磨损风洞中的模型、风扇或轴承等部件，但是，这类高分子颗粒制备成本很高，而在风洞实验中，PIV示踪粒子的用量很大，这将大大提高风洞实验的费用，影响这类示踪粒子在风洞实验中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种风洞用PIV示踪粒子，该风洞用PIV示踪粒子以超细、轻质淀粉或花粉颗粒材料为芯核，并在芯核的表面包覆一层有机物(改性剂)薄膜构成。该风洞用PIV示踪粒子的粒度为0.5μm～22μm、密度为0.5g/cm3～2.0g/cm3，且具有窄的粒度分布，较好的流场跟随性及较低的制备成本。
本发明的另一目的是提出一种制备风洞用PIV示踪粒子的方法，该方法首先将轻质颗粒材料粉碎至0.2μm～20μm粒度的细颗粒，然后对细颗粒进行干燥处理获得芯核，最后在芯核的表面包覆一层有机物薄膜。该方法具有工艺简单、稳定可靠、成本低等优点，采用该方法所制备的风洞用PIV示踪粒子具有较好的流场跟随性和窄的粒度分布，能够在风洞中均匀分散，性能优异且稳定。
本发明制备一种风洞用PIV示踪粒子的方法包括有下列步骤：
第一步：通过气流粉碎或者振动磨粉碎的方法，将轻质颗粒材料粉碎至0.2μm～20μm粒度的细颗粒；
所述的轻质颗粒材料可以是淀粉、花粉材料；
第二步：将第一步制得的细颗粒在80℃～130℃条件下干燥2h～4h，获得制备示踪粒子的芯核颗粒；
第三步：在第二步制得的芯核颗粒和有机物(改性剂)加入搅拌设备中，在搅拌环境温度为90℃～140℃，搅拌速度为1000r/min～2900r/min的条件下搅拌5min～15min后，即制备得到具有疏水性、良好分散性及流场跟随性的风洞用PIV示踪粒子；
在此步骤中，100g的芯核颗粒中添加0.5g～2g的改性剂；有机物(改性剂)可以是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或两种。
本发明的风洞用PIV示踪粒子具有如下的优点：
①采用超细、轻质淀粉、花粉材料作为芯核材料，制备的PIV示踪粒子具有较低的密度，在风洞实验中具有良好的流场跟随性。
②所用的芯核材料为非人工合成，易获取，成本低。
③在测试过程中，由于芯核材料为低硬度、低强度的材料，在风洞PIV测试过程中，PIV示踪粒子对风洞中的模型、风扇或轴流式压缩机轴承造成的磨损较低。
④采用本发明方法制得的风洞用PIV示踪粒子在风洞PIV测试中有更好的综合性能，其表现在：与将液体雾化成液滴类的示踪粒子相比，具有不污染风洞和模型的优点。与水洞中常用的示踪粒子相比，具有更好的流场跟随性，也不会造成风洞中模型、风扇或轴流式压缩机轴承等部件的磨损。与合成制备的聚苯乙烯等高分子颗粒示踪粒子相比，具有更低的实验测试成本。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的风洞用PIV示踪粒子的扫描电镜照片。
图2是将实施例1制备的风洞用PIV示踪粒子用于风洞PIV实验中流场测试照片。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种风洞用PIV示踪粒子，是以超细、轻质颗粒材料为芯核，并在芯核的表面包覆一层有机物(改性剂)薄膜构成。该风洞用PIV示踪粒子的粒度为0.5μm～22μm、密度为0.5g/cm3～2.0g/cm3，且具有窄的粒度分布，较好的流场跟随性及较低的制备成本。
在本发明中，所述的超细、轻质颗粒材料为芯核为低强度、低硬度的柔性材料，如淀粉、花粉材料，以防止在风洞PIV流场测试过程中，示踪粒子磨损风洞中的模型、风扇或轴流式压缩机轴承。
在本发明中，所述的有机物薄膜(改性剂)是硅烷偶联剂薄膜、钛酸酯偶联剂薄膜或者铝酸酯偶联剂薄膜，其包覆量为芯核质量的0.5％～2％。
本发明制备风洞用PIV示踪粒子的方法包括有下列步骤：
第一步：通过粉碎的方法，将轻质颗粒材料粉碎至0.2μm～20μm粒度的细颗粒；
所述的轻质颗粒材料可以是淀粉、花粉材料。
在本发明中，粉碎的方法可以采用气流粉碎或者振动磨粉碎。
第二步：将第一步制得的细颗粒在80℃～130℃条件下干燥2h～4h，获得制备示踪粒子的芯核颗粒；
在本发明中，此步骤的干燥目的是将细颗粒中的水份去除，进一步降低细颗粒的密度，同时在后续的表面包覆有机物薄膜过程中，防止水份的挥发而破坏所包覆的有机物薄膜。
第三步：在第二步制得的芯核颗粒和有机物(改性剂)加入搅拌设备中，在搅拌环境温度为90℃～140℃，搅拌速度为1000r/min～2900r/min的条件下搅拌5min～15min后，即制备得到具有疏水性、良好分散性及流场跟随性的风洞用PIV示踪粒子。
在此步骤中，100g的芯核颗粒中添加0.5g～2g的改性剂。有机物(改性剂)可以是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或两种。
有机物薄膜在芯核颗粒表面的包覆过程是在目前工业上常用的搅拌设备中进行的，可以是高速搅拌机或者桨叶式混合机。
实施例1：制备平均粒径为13.4μm的PIV示踪粒子
芯核：选取玉米淀粉颗粒材料；
改性剂：选取钛酸酯偶联剂NDZ-401和硅烷偶联剂A-151复配的偶联剂，其中复配比例为NDZ-401∶A-151＝2∶1。
制备过程：
第一步：通过气流粉碎的方法，在粉碎气流压力0.6MPa、分级轮转速2000r/min条件下对玉米淀粉颗粒进行超细粉碎，粉碎后的淀粉颗粒平均粒径为13.4μm；
第二步：将第一步制得的平均粒径为13.4μm的玉米淀粉在110℃条件下干燥3h后，制得干燥芯核颗粒；
第三步：将第二步制得干燥的芯核颗粒和改性剂在高速混合机(选取SHR-5A高速混合机，张家港市强大塑料机械有限公司生产)中，在搅拌环境温度为120℃，搅拌速度为2200r/min的条件下搅拌15min后，制备得到疏水性、具有良好分散性及流场跟随性的风洞用PIV示踪粒子。
用量：100g的芯核颗粒中添加1g的改性剂。
所制备的PIV示踪粒子扫描电镜照片如图1所示，从图中可以观察到通过本发明方法制备得到的PIV示踪粒子单个颗粒粒度分布在8μm～16μm之间，分散性好，密度为1.1g/cm3～1.7g/cm3。
在风洞PIV实验中所测得的粒子图像如图2所示，从图中可以观察到明亮的光斑是PIV示踪粒子。该PIV示踪粒子在风洞流场中，流场跟随性较好，能够充分的反应真实的流场。说明经本实施例方法制得的PIV示踪粒子能够很好的进行粒子识别与图像处理。试验结果表明，该PIV示踪粒子是一种性能优异的风洞用PIV示踪粒子。
实施例2：制备平均粒径为7.6μm的PIV示踪粒子
芯核：选取油菜花粉颗粒材料；
改性剂：选取铝酸酯偶联剂DL-2411-A。
制备过程：
第一步：通过振动磨粉碎的方法，粉碎3h后得到平均粒径为7.6μm的油菜花粉细颗粒材料；
振动磨粉碎条件是：振动频率为55Hz，振幅为5mm，磨介质为三种直径的氧化锆球，不同磨介质的用量为8mm氧化锆球∶5mm氧化锆球∶2mm氧化锆球＝5∶3∶2，粉碎时间为30min；
用量：油菜花粉颗粒材料与磨介质的质量比为1∶2；
在此步骤中，油菜花粉颗粒材料与磨介质占振动磨粉碎设备的腔体体积的80％。
第二步：将第一步制得的细颗粒在80℃条件下干燥4h，获得制备示踪粒子的芯核颗粒；
第三步：将第二步制得的芯核颗粒和改性剂在桨叶式混合机中，在搅拌环境温度为90℃，搅拌速度为2900r/min的条件下搅拌5min后，制备得到疏水性、具有良好分散性及流场跟随性的风洞用PIV示踪粒子。
用量：100g的芯核颗粒中添加1.5g的改性剂。
将实施例2制备的风洞用PIV示踪粒子在扫描电镜下观察，其单个颗粒的粒度分布在4μm～10μm之间，分散性好，密度为0.8g/cm3～1.0g/cm3。
将实施例2制备的风洞用PIV示踪粒子用于风洞PIV实验中，试验结果表明，该PIV示踪粒子在风洞流场中，流场跟随性较好，能够充分的反应真实的流场。说明经本实施例方法制得的PIV示踪粒子是一种性能优异的风洞用PIV示踪粒子。
本发明是一种以轻质材料颗粒为芯核，制备风洞用PIV示踪粒子的方法，该方法首先选取轻质材料(淀粉或者花粉)，对其进行超细粉碎处理，获得粒度0.2μm～20μm的芯核颗粒，然后在其表面包覆一有机物(改性剂)薄膜，使其表面由亲水性表面变为疏水性表面，防止其在空气中吸附水蒸气而团聚，并提高芯核颗粒的分散性以及流动性，使其能够在空气流场中均匀分散，并具有良好的流动跟随性，从而制备得到一种风洞用PIV示踪粒子。该方法具有工艺简单、稳定可靠、成本低等优点，采用该方法所制备的风洞用PIV示踪粒子能够在风洞中均匀分散，具有良好的流场跟随性，性能优异且稳定。
Claims (1)
1.一种制备风洞用PIV示踪粒子的方法，其特征在于有下列步骤：
第一步：通过气流粉碎或者振动磨粉碎的方法，将淀粉或者花粉材料粉碎至0.2μm～20μm粒度的细颗粒；
第二步：将第一步制得的细颗粒在80℃～130℃条件下干燥2h～4h，获得制备示踪粒子的芯核颗粒；
第三步：在第二步制得的芯核颗粒和有机物加入搅拌设备中，在搅拌环境温度为90℃～140℃，搅拌速度为1000r/min～2900r/min的条件下搅拌5min～15min后，制得风洞用PIV示踪粒子；该风洞用PIV示踪粒子的粒度为0.5μm～22μm、密度为0.5g/cm3～2.0g/cm3；
在此步骤中，100g的芯核颗粒中添加0.5g～2g的有机物；有机物是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或两种。
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