CN101813556B - 用于激光非接触测速的突扩管系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光非接触测速的突扩管系统，包括突扩管和粒子循环装置。突扩管大管道的长度是其内径的3～10倍。稳压箱为封闭箱体。风机位于稳压箱内，通过软管将风机与位于稳压箱外的突扩管大管道连接。粒子发生器位于稳压箱内。波纹管的两端分别与实验台底座和突扩管小管道连接；突扩管大管道两端分别与突扩管小管道和稳压箱连接。多个突扩管小管道的内径分别为突扩管大管道内径的0.1～0.95倍。本发明的突扩管大管道管径不变，通过改变突扩管小管道改变突扩比，并通过封闭的稳压箱实现粒子在流场中均匀分布，进行了PIV示踪粒子筛选、内流PIV测量光学探针使用探究和不同流速下突扩管PIV流场测量实验，取得了良好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光非接触测速领域，具体是一种用于激光非接触测速的突扩管系统。
背景技术
突然扩张管道为流体力学中的重要结构，其流场结构的实验测量倍受研究人员关注。
中国科学院金属腐蚀与防护研究所的阎永贵、郑玉贵、姚治铭、柯伟等人在《突扩管局部流速流态的激光多普勒测试》及《双相流冲刷腐蚀激光多普勒测试装置及其校正》(1999年10月)中，设计并建立了一套用于研究双相流冲刷腐蚀的激光多普勒测试装置，该装置由激光多普勒测速仪、供液系统、循环系统和电化学系统等组成，可以实现流体的循环，并包括突扩管测量段。该装置的供液系统由储液槽、供液泵和输送管组成，由于采用供液泵，该装置仅能够输送液体工质而不能输送气体工质，所以该装置并不适于气态工质的突扩管测量，也不能向气态工质中投放粒子，另外，其突扩管模型内径为20/40mm，若改变突扩比，则必需重新改造实验装置，成本较高。
北京航空航天大学的陈莹、邓学蓥、王延奎、王兵、董超等人在《低速风洞PIV实验中的示踪粒子投放技术》中，提出了一种回流式低速风洞。该回流式低速风洞有开口和闭口两个实验段，在实验段出口处向风洞内投放粒子使其在风洞中循环，提高了散播粒子的均匀度。但该回流式低速风洞不能用于突扩管流场测量。当将该风洞用于突扩管流场测量时，需要增加突扩管测量段，提高了实验测量成本。
发明内容
为克服现有技术中存在的或者不适于气态工质的突扩管测量，或者需要对实验装置进行改造，增加实验成本的不足，以及激光非接触测速中向流场中投放粒子的困难，本发明提出了一种用于激光非接触测速的突扩管系统。
本发明包括突扩管、粒子循环装置和移动小车。其中，粒子循环装置包括粒子发生器、变压器、实验台底座、稳压箱、风机、风机支架、风机接头、软管、软管连接件和波纹管；突扩管包括突扩管大管道和多个突扩管小管道。突扩管大管道的长度是其内径的3～10倍。稳压箱与实验台底座共同组成封闭的箱体。稳压箱一端的箱体上有突扩管大管道的通孔。风机通过风机支架安装在稳压箱内，软管的两端分别通过风机接头和软管连接件与风机和位于稳压箱外的突扩管大管道连接。粒子发生器安装在实验台底座的上表面，并位于稳压箱内。波纹管的一端固定在实验台底座上的连接孔上，另一端与突扩管小管道的一端连接；突扩管大管道两端分别与突扩管小管道和稳压箱连接。多个突扩管小管道的内径分别为突扩管大管道内径的0.1～0.95倍。
所述的风机支架包括上支架和下支架两部分；在风机支架的上支架和下支架固定连接后，上支架和下支架相互配合的表面均有风机的安装面；在风机支架的风机安装面中心有通风孔。风机接头位于风机支架的端面，软管连接件位于稳压箱内壁板上；风机接头、软管连接件的中心线位于同一垂直面。风机接头的中心与风机支架通风孔的中心重合。
本发明的目的是设计出突扩比可变的突扩管道，对其结构进行适应性改造，同时使该系统中的粒子均匀分布，使其适合于激光非接触测速，测量不同突扩比下的突扩管内流场结构。
本发明将突扩管大直径段和小直径段分开设计，即突扩管大管道不变，通过改变突扩管小管道改变突扩比，能够方便地测量突扩管在不同突扩比下的流场。本发明的稳压箱为封闭结构，通过风机使气流循环流动，实现粒子在流场中均匀分布，在流场所有测量点都得到了良好的粒子图像。本发明中突扩管测量段及稳压箱采用透明有机玻璃设计，可方便地观察到流场内部粒子分布情况，以便及时调节粒子浓度。整个系统安装在移动小车上，方便移动，简化实验过程。
本发明所采取的突扩管大管道不变、突扩管小管道可变的方式实现变突扩比，可少加工多个突扩管大管道，并且不同的突扩管小管道与突扩管系统其它装置之间有良好的兼容性，节约实验成本。
本发明适用于各种不同突扩比下的激光非接触测速实验，并能够应用于激光非接触测速中变突扩比状态下突扩管流动的教学演示，已成功地进行了PIV示踪粒子筛选、内流PIV测量光学探针使用探究和不同流速下突扩管PIV流场测量实验，取得了良好的效果。
附图说明
图1是用于激光非接触测速的突扩管系统装配结构示意图的主视图；
图2是用于激光非接触测速的突扩管系统装配结构示意图的俯视图；
图3是实验台底座结构示意图的俯视图；
图4是稳压箱结构示意图的主视图；
图5是稳压箱结构示意图的右视图；
图6是风机支架结构示意图的主视图；
图7是风机支架结构示意图的右视图；
图8是风机接头结构示意图的主视图；
图9是风机接头结构示意图的右视图；
图10是软管连接件结构示意图的主视图；
图11是软管连接件结构示意图的左视图；
图12是突扩管大管道结构示意图的主视图；
图13是突扩管大管道结构示意图的左视图；
图14是突扩管小管道结构示意图的主视图；
图15是突扩管小管道结构示意图的左视图；
图16是风机与风机支架安装结构示意图的主视图；
图17是突扩管与稳压箱连接处的结构示意图的主视图；
图18是突扩管大管道、突扩管小管道连接的结构示意图的主视图。其中：
1.粒子发生器 2.移动小车 3.变压器 4.实验台底座 5.稳压箱
6.风机 7.风机支架 8.风机接头 9.软管 10.软管连接件
11.突扩管大管道 12.突扩管小管道 13.波纹管
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种用于激光非接触测速的突扩管系统，包括突扩管、粒子循环装置和移动小车2，其中突扩管包括突扩管大管道11和系列突扩管小管道12；粒子循环装置包括粒子发生器1、变压器3、实验台底座4、稳压箱5、风机6、风机支架7、风机接头8、软管9、软管连接件10和波纹管13。本实施例用于测量突扩比分别为0.1、0.2和0.3状态的突扩管流场，每个状态测量4种不同进口气流速度时的流场；本实施例有3个突扩管小管道12。三个突扩管小管道12的内径分别为突扩管大管道11内径的0.1、0.2和0.3倍，变压器3依次调为50V、100V、150V和200V。
稳压箱5是用全透明有机玻璃材料制作的无底板长方体箱体，安放在实验台底座4上；稳压箱5一端的箱体上有突扩管大管道11的通孔。风机6通过风机支架7安装在稳压箱5内，软管9的两端分别通过风机接头8和软管连接件10与风机6和位于稳压箱5外的突扩管大管道11连接。粒子发生器1安装在实验台底座4的上表面，并位于稳压箱5内。波纹管13的一端固定在实验台底座4上的连接孔上，另一端与突扩管小管道12的一端连接。
实验台底座4为矩形薄板，稳压箱5安装在实验台底座4上，与实验台底座4共同组成封闭的箱体。实验台底座4一侧有贯通的波纹管13的连接孔，波纹管13一端通过该连接孔与稳压箱5固定连接；放置风机6的一侧开一个通孔，作为风机6的电缆入口；波纹管13的连接孔位于稳压箱5内一角。在粒子发生器1旁边的实验台底座4上开有粒子发生器1的调节孔。
突扩管大管道11为贯通管道，采用全透明有机玻璃材料制成。突扩管大管道11长度与内径之比为3∶1。在突扩管大管道11两端圆周表面均有连接法兰；突扩管大管道11两端的法兰分别与突扩管小管道12和稳压箱5连接。
三个突扩管小管道12的结构相同，均为用全透明有机玻璃材料制成的贯通管。突扩管小管道12的两端均有连接法兰，并且一端连接法兰的圆周为阶梯状，该阶梯面上有与突扩管大管道11法兰连接的通孔。本实施例中的突扩管小管道12的内径分别为突扩管大管道11内径的0.1、0.2和0.3倍。
如图3所示。移动小车2为突扩管系统的载体；移动小车2有两层平板，实验台底座4固定在上层平板上，变压器3放置在下层平板上。
变压器3输入电压220V，输出电压0～240V无级可调，置于移动小车2下部的平板上，电缆从实验台底座4进入稳压箱5向风机6供电，通过控制输出电压调节突扩管内空气流量。
如图6、图7所示，风机支架7材料为40钢，包括上支架和下支架两部分，下支架为“L”形，其水平板为支板，用于支撑下支架的主体；上支架为矩形板件；在上支架和下支架的两侧，均有用于固定连接上支架和下支架的连接孔。在下支架的主体，即垂直板的上表面有弧形的凹槽，该凹槽的直径同风机6的外径；在上支架的下表面亦有凹槽，该凹槽的直径同风机6的外径；当风机支架7的上支架和下支架固定连接后，两个弧形凹槽合为圆形槽，形成了风机6的安装面；在风机支架7上的风机6安装面中心，有贯通的通风孔。在上支架和下支架的两侧边均有位置对应的连接孔。将风机6置于上支架和下支架扣合后形成的圆形安装孔，并通过螺栓将上支架和下支架固连。
在风机支架7有通风孔的端面，固定有风机接头8，并且该风机接头8的中心与风机支架7通风孔的中心重合。风机接头8为中空回转体，其内径同风机支架7通风孔的内径，外径同软管9的内径。风机接头8一端有连接法兰，通过该连接法兰固定在风机支架7的端面。在稳压箱5内表面，突扩管大管道11通孔处固定有软管连接件10。软管连接件10亦为一端有连接法兰的中空回转体；软管连接件10通过法兰固定在稳压箱5的内壁上。软管连接件10内孔的孔径同稳压箱5一端突扩管大管道11通孔的孔径。风机接头8、软管连接件10的中心线位于同一垂直面。
使用时，先将内径为突扩管大管道11内径0.1倍的突扩管小管道12安装在突扩管系统中，安装好突扩管系统；启动粒子发生器1开始产生粒子；将变压器3电压调至50V，启动风机6，使气流和粒子在突扩管系统中循环；流场中粒子达到适宜浓度时停止粒子发生器1；启动激光非接触测速仪，测量该状态下突扩管内的流场。测量完毕后，将变压器3依次调至100V、150V和200V，分别测量变压器3在100V、150V和200V状态下突扩管内的流场。
突扩管突扩比为0.1的各个状态的流场测量完毕后，更换突扩管小管道12，重复以上测量过程，直至实验进行完毕。
实施例二
本实施例是一种用于激光非接触测速的突扩管系统，包括突扩管、粒子循环装置和移动小车2，其中突扩管包括突扩管大管道11和系列突扩管小管道12；粒子循环装置包括粒子发生器1、变压器3、实验台底座4、稳压箱5、风机6、风机支架7、风机接头8、软管9、软管连接件10和波纹管13。本实施例用于测量突扩比为0.35、0.40、0.45、0.50、0.55和0.60状态的突扩管流场，每个状态测量4种不同进口气流速度时的流场；需要6个突扩管小管道12。六个突扩管小管道12的内径分别为突扩管大管道11内径的0.35、0.40、0.45、0.50、0.55和0.60倍，变压器3依次调为60V、120V、180V和240V。
稳压箱5是用全透明有机玻璃材料制作的无底板长方体箱体，安放在实验台底座4上；稳压箱5一端的箱体上有突扩管大管道11的通孔。风机6通过风机支架7安装在稳压箱5内，软管9的两端分别通过风机接头8和软管连接件10与风机6和位于稳压箱5外的突扩管大管道11连接。粒子发生器1安装在实验台底座4的上表面，并位于稳压箱5内。波纹管13的一端固定在实验台底座4上的连接孔上，另一端与突扩管小管道12的一端连接。
实验台底座4为矩形薄板，稳压箱5安装在实验台底座4上，与实验台底座4共同组成封闭的箱体。实验台底座4一侧有贯通的波纹管13的连接孔，波纹管13一端通过该连接孔与稳压箱5固定连接；放置风机6的一侧开一个通孔，作为风机6的电缆入口；波纹管13的连接孔位于稳压箱5内一角。在粒子发生器1旁边的实验台底座4上开有粒子发生器1的调节孔。
突扩管大管道11为贯通管道，采用全透明有机玻璃材料制成。突扩管大管道11长度与内径之比为6∶1。在突扩管大管道11两端圆周表面均有连接法兰；突扩管大管道11两端的法兰分别与突扩管小管道12和稳压箱5连接。
六个突扩管小管道12结构相同，均为用全透明有机玻璃材料制成的贯通管。突扩管小管道12的两端均有连接法兰，并且一端连接法兰的圆周为阶梯状，该阶梯面上有与突扩管大管道11法兰连接的通孔。本实施例中的突扩管小管道12的内径分别为突扩管大管道11内径的0.35、0.40、0.45、0.50、0.55和0.60倍。
如图3所示。移动小车2为突扩管系统的载体；移动小车2有两层平板，实验台底座4固定在上层平板上，变压器3放置在下层平板上。
变压器3输入电压220V，输出电压0～240V无级可调，置于移动小车2下部的平板上，电缆从实验台底座4进入稳压箱5向风机6供电，通过控制输出电压调节突扩管内空气流量。
如图6、图7所示，风机支架7材料为40钢，包括上支架和下支架两部分，下支架为“L”形，其水平板为支板，用于支撑下支架的主体；上支架为矩形板件；在上支架和下支架的两侧，均有用于固定连接上支架和下支架的连接孔。在下支架的主体，即垂直板的上表面有弧形的凹槽，该凹槽的直径同风机6的外径；在上支架的下表面亦有凹槽，该凹槽的直径同风机6的外径；当风机支架7的上支架和下支架固定连接后，两个弧形凹槽合为圆形槽，形成了风机6的安装面；在风机支架7上的风机6安装面中心，有贯通的通风孔。在上支架和下支架的两侧边均有位置对应的连接孔。将风机6置于上支架和下支架扣合后形成的圆形安装孔，并通过螺栓将上支架和下支架固连。
在风机支架7有通风孔的端面，固定有风机接头8，并且该风机接头8的中心与风机支架7通风孔的中心重合。风机接头8为中空回转体，其内径同风机支架7通风孔的内径，外径同软管9的内径。风机接头8一端有连接法兰，通过该连接法兰固定在风机支架7的端面。在稳压箱5内表面，突扩管大管道11通孔处固定有软管连接件10。软管连接件10亦为一端有连接法兰的中空回转体；软管连接件10通过法兰固定在稳压箱5的内壁上。软管连接件10内孔的孔径同稳压箱5一端突扩管大管道11通孔的孔径。风机接头8、软管连接件10的中心线位于同一垂直面。
使用时，先将内径为突扩管大管道11内径0.35倍的突扩管小管道12安装在突扩管系统中，安装好突扩管系统；启动粒子发生器1开始产生粒子；将变压器3电压调至60V，启动风机6，使气流和粒子在突扩管系统中循环；流场中粒子达到适宜浓度时停止粒子发生器1；启动激光非接触测速仪，测量该状态下突扩管内的流场。测量完毕后，将变压器3分别调至120V、180V和240V，启动激光非接触测速仪，分别测量变压器3在各状态下突扩管内的流场。
突扩管突扩比为0.35的各个状态的流场测量完毕后，更换突扩管小管道12，重复以上测量过程，直至实验进行完毕。
实施例三
本实施例是一种用于激光非接触测速的突扩管系统，包括突扩管、粒子循环装置和移动小车2，其中突扩管包括突扩管大管道11和系列突扩管小管道12；粒子循环装置包括粒子发生器1、变压器3、实验台底座4、稳压箱5、风机6、风机支架7、风机接头8、软管9、软管连接件10和波纹管13。本实施例用于测量突扩比为0.75、0.85和0.95状态的突扩管流场，每个状态测量4种不同进口气流速度时的流场；需要三个突扩管小管道12。突扩管小管道12的内径分别为突扩管大管道11内径的0.75、0.85和0.95倍，变压器3依次调为50V、100V、150V和200V。
稳压箱5是用全透明有机玻璃材料制作的无底板长方体箱体，安放在实验台底座4上；稳压箱5一端的箱体上有突扩管大管道11的通孔。风机6通过风机支架7安装在稳压箱5内，软管9的两端分别通过风机接头8和软管连接件10与风机6和位于稳压箱5外的突扩管大管道11连接。粒子发生器1安装在实验台底座4的上表面，并位于稳压箱5内。波纹管13的一端固定在实验台底座4上的连接孔上，另一端与突扩管小管道12的一端连接。
实验台底座4为矩形薄板，稳压箱5安装在实验台底座4上，与实验台底座4共同组成封闭的箱体。实验台底座4一侧有贯通的波纹管13的连接孔，波纹管13一端通过该连接孔与稳压箱5固定连接；放置风机6的一侧开一个通孔，作为风机6的电缆入口；波纹管13的连接孔位于稳压箱5内一角。在粒子发生器1旁边的实验台底座4上开有粒子发生器1的调节孔。
突扩管大管道11为贯通管道，采用全透明有机玻璃材料制成。突扩管大管道11长度与内径之比为10∶1。在突扩管大管道11两端圆周表面均有连接法兰；突扩管大管道11两端的法兰分别与突扩管小管道12和稳压箱5连接。
三个突扩管小管道12结构相同，均为用全透明有机玻璃材料制成的贯通管。突扩管小管道12的两端均有连接法兰，并且一端连接法兰的圆周为阶梯状，该阶梯面上有与突扩管大管道11法兰连接的通孔。本实施例中的突扩管小管道12的内径分别为突扩管大管道11内径的0.75、0.85和0.95倍。
如图3所示。移动小车2为突扩管系统的载体；移动小车2有两层平板，实验台底座4固定在上层平板上，变压器3放置在下层平板上。
变压器3输入电压220V，输出电压0～240V无级可调，置于移动小车2下部的平板上，电缆从实验台底座4进入稳压箱5向风机6供电，通过控制输出电压调节突扩管内空气流量。
如图6、图7所示，风机支架7材料为40钢，包括上支架和下支架两部分，下支架为“L”形，其水平板为支板，用于支撑下支架的主体；上支架为矩形板件；在上支架和下支架的两侧，均有用于固定连接上支架和下支架的连接孔。在下支架的主体，即垂直板的上表面有弧形的凹槽，该凹槽的直径同风机6的外径；在上支架的下表面亦有凹槽，该凹槽的直径同风机6的外径；当风机支架7的上支架和下支架固定连接后，两个弧形凹槽合为圆形槽，形成了风机6的安装面；在风机支架7上的风机6安装面中心，有贯通的通风孔。在上支架和下支架的两侧边均有位置对应的连接孔。将风机6置于上支架和下支架扣合后形成的圆形安装孔，并通过螺栓将上支架和下支架固连。
在风机支架7有通风孔的端面，固定有风机接头8，并且该风机接头8的中心与风机支架7通风孔的中心重合。风机接头8为中空回转体，其内径同风机支架7通风孔的内径，外径同软管9的内径。风机接头8一端有连接法兰，通过该连接法兰固定在风机支架7的端面。在稳压箱5壁板内表面，突扩管大管道11通孔处固定有软管连接件10。软管连接件10亦为一端有连接法兰的中空回转体；软管连接件10通过法兰固定在稳压箱5的内壁上。软管连接件10内孔的孔径同稳压箱5一端突扩管大管道11通孔的孔径。风机接头8、软管连接件10的中心线位于同一垂直面。
使用时，先将内径为突扩管大管道11内径0.75倍的突扩管小管道12安装在突扩管系统中，安装好突扩管系统；启动粒子发生器1开始产生粒子；将变压器3电压调至50V，启动风机6，使气流和粒子在突扩管系统中循环；流场中粒子达到适宜浓度时停止粒子发生器1；启动激光非接触测速仪，测量该状态下突扩管内的流场。测量完毕后，将变压器3分别调至100V、150V和200V，启动激光非接触测速仪，分别测量变压器3在各状态下突扩管内的流场。
突扩管突扩比为0.75的各个状态的流场测量完毕后，更换突扩管小管道12，重复以上测量过程，直至实验进行完毕。
Claims (5)
1.一种用于激光非接触测速的突扩管系统，其特征在于，所述的用于激光非接触测速的突扩管系统包括突扩管、粒子循环装置和移动小车(2)；其中，
a.粒子循环装置包括粒子发生器(1)、实验台底座(4)、稳压箱(5)、风机(6)、风机支架(7)、风机接头(8)、软管(9)、软管连接件(10)和波纹管(13)；突扩管包括突扩管大管道(11)和多个突扩管小管道(12)；突扩管大管道(11)的长度是其内径的3～10倍；
b.稳压箱(5)与实验台底座(4)共同组成封闭的箱体；稳压箱(5)一端的箱体上有突扩管大管道(11)的通孔；风机(6)通过风机支架(7)安装在稳压箱(5)内，软管(9)的两端分别通过风机接头(8)和软管连接件(10)与风机(6)和位于稳压箱(5)外的突扩管大管道(11)连接；粒子发生器(1)安装在实验台底座(4)的上表面，并位于稳压箱(5)内；波纹管(13)的一端固定在实验台底座(4)上的连接孔上，另一端与突扩管小管道(12)的一端连接；突扩管大管道(11)两端分别与突扩管小管道(12)和稳压箱(5)连接；
c.多个突扩管小管道(12)的内径分别为突扩管大管道(11)内径的0.1～0.95倍。
2.如权利要求1所述一种用于激光非接触测速的突扩管系统，其特征在于，所述的波纹管(13)的连接孔位于稳压箱(5)内一角。
3.如权利要求1所述一种用于激光非接触测速的突扩管系统，其特征在于，所述的风机支架(7)包括上支架和下支架两部分；在风机支架(7)的上支架和下支架固定连接后，上支架和下支架相互配合的表面均有风机(6)的安装面；在风机支架(7)的风机(6)安装面中心有通风孔。
4.如权利要求1所述一种用于激光非接触测速的突扩管系统，其特征在于，所述的风机接头(8)位于风机支架(7)的端面，软管连接件(10)位于稳压箱(5)内壁板上；风机接头(8)、软管连接件(10)的中心线位于同一垂直面。
5.如权利要求1所述一种用于激光非接触测速的突扩管系统，其特征在于，所述的风机接头(8)的中心与风机支架(7)通风孔的中心重合。
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