CN101975871A

CN101975871A - 一种发烟式示踪粒子发生器

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Publication number: CN101975871A
Application number: CN2010102934385A
Authority: CN
Inventors: 郭志辉; 杨李; 杨甫江; 王召
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: CN101975871B

Abstract

一种发烟式示踪粒子发生器，它是由罐体及密封装置、燃烧平台、投放窗口、进气系统和排气系统组成，其位置连接关系是：燃烧平台放置在罐体内中下部，密封装置通过标准件与罐体连接，进气和排气系统穿过密封装置与罐体连通，其另一端分别与外接气源、测量通道相连；投放窗口设置在罐体侧壁中上部，它通过管道与罐体连通。该罐体是圆柱形容器，该密封装置由上盖板和橡胶密封圈构成，该燃烧平台是其上设置有多个圆孔的圆形板料，该投放窗口是由一带方法兰的管道、盲板及标准件组成，该进气系统由气源、进气压力表、进气阀门、进气导管以及细管组成，该排气系统由排气导管、过滤网、出口压力表以及出口阀门组成；本发明结构简单，使用方便，易于普及。

Description

一种发烟式示踪粒子发生器

(一)技术领域

本发明涉及一种发烟式示踪粒子发生器，它产生的烟雾可以为粒子图像测速(PIV)、激光多普勒测速(LDV)等粒子示踪测量技术提供稳定有效的示踪粒子，尤其是空气流动的测量。属于激光粒子测量技术领域。

(二)背景技术

由于具有高效、瞬时等优点，PIV、LDV等激光测量技术被越来越多地应用于液体和气体的流动显示测量中。这些测量技术的关键在于通过散播示踪粒子来实现对速度的测量，因此示踪粒子质量的好坏是决定测量结果的重要因素。为了能够真实反映各种复杂流动并且获得良好的细节，示踪粒子必须具备良好的跟随性和光反射性以及恰当的浓度。

目前国内使用的PIV系统很多都是从国外购买的，比如德国的LaVision等，并且都附带有配套的粒子发生器。不过从国外购买的都比较昂贵，维修也不方便，加之国内没有专门的企业生产粒子发生器，所以也有不少人采用自制的或者利用已有的设备来生成粒子。一般来说，液体流动采用固体示踪粒子，比如三氧化二铝、二氧化钛或者玻璃珠等；气体流动比如风洞或空气中的试验通常使用轻油热升华，或者用高速气流冲击产生的油滴颗粒，目前国内公开发表的几种粒子发生器都属于这种类型。不过从实际使用的经验来看，这类液体粒子发生器在工作时，雾化油滴对试验设备和测量窗口的污染比较严重，尤其是小尺寸的有机玻璃制品，试验过程中不得不进行频繁清理，十分麻烦。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供结构简单、使用方便的一种发烟式示踪粒子发生器，它解决了现有技术的不足，产生的烟雾均匀稳定、质量高，完全可以作为PIV、LDV等激光测量技术的示踪粒子，能够满足多种气体流动条件测量的要求。

2、技术方案：本发明一种发烟式示踪粒子发生器，它是由罐体、密封装置、燃烧平台、投放窗口、进气系统和排气系统组成的。它们之间的位置连接关系是：

燃烧平台放置在罐体内中下部，密封装置通过标准件与罐体连接，进气系统和排气系统穿过密封装置与罐体连通，其另一端分别与外接气源、测量通道相连；投放窗口设置在罐体侧壁中上部，它通过管道与罐体连通。

所述罐体是圆柱形容器，其上部敞开并配置连接用的法兰盘，其侧壁中上部开有圆孔并通过它与投放窗口相连。

所述密封装置由上盖板和橡胶密封圈构成；该上盖板是其上设置有螺栓孔的圆形板料，其外径与罐体上部配置的法兰盘相同；该橡胶密封圈是圆环形状，可按照要求市购或自制产品。

所述燃烧平台是其上设置有多个圆孔的圆形板料，其外径稍小于罐体内径。孔的数量按板的面积合理选定。

所述投放窗口是由一带方法兰的管道、盲板及标准件组成；该带方法兰的管道与盲板通过标准件连接；该盲板是其上设置有螺栓孔的方形板料，其外形尺寸与管道的方法兰相同；该投放窗口位于罐体侧面中上部，且位置高于燃烧平台。

所述进气系统依次由气源、进气压力表、进气阀门、进气导管以及细管组成；该气源可以根据实验室条件自行选择，压力可调，但应保证气流压力高于测量通道主气流压力，压差为2-4KPa，以方便粒子流动；该进气压力表是精密压力表；该进气阀门是外螺纹截止阀门，公称直径和公称压力可以根据实际情况自行选择，但应与进气导管的直径相配合；该进气导管为铜管；该细管为铜管，末端封闭且周向布置一圈小孔，使空气沿水平面喷出。细管的数量合理选定。

所述排气系统依次由排气导管、过滤网、出口压力表以及出口阀门组成；该排气导管与进气导管规格相同；该过滤网是普通的金属网，可以根据导管尺寸进行市购；该出口压力表是精密压力表；该出口阀门是外螺纹截止阀门，参数规格与进气阀门一致。

其中，该进气导管的直径为17-19mm；

其中，该细管的直径为7-9mm；

其中，该进气压力表的量程为0-6MPa；

其中，该出口压力表的量程为0-6MPa；

其中，该进气阀门的型号是J23W型；

其中，该出口阀门的型号是J23W型。

该粒子发生器的工作原理及流程如下：

将粒子生成物布置在燃烧平台上燃烧，保证罐体密封。进气导管穿过上盖板进入罐体后连接数根细管，细管穿过燃烧平台至罐体下部，为燃烧提供空气同时参与粒子的释放。测量时先关闭出口阀门并观察出口压力表读数，等粒子浓度合适后打开，粒子经过滤后沿导管进入测量通道。

粒子生成物为医用艾条，价格便宜，购买方便。艾条经过燃烧可以生成浓度较高的烟雾。市场上标准的艾条长度为200mm，直径约为18mm，与燃烧平台的孔径相当；试验时，将艾条切成小段，每段50mm，安静燃尽需要30分钟左右。艾条的投放有两种方式：当粒子需求量大时，将较多的艾条插在燃烧平台的通孔中点燃；若粒子需求量少则直接通过投放窗口将点燃的艾条投放到平台上。

3、优点及功效：本发明的优点在于：对设备的污染小，对人体不会造成伤害；能够稳定持续地产生示踪粒子；粒子的浓度和数量可调；粒子质量好，能够很好地反映气体流动；原料价格低廉；结构简单，使用方便，易于普及。

(四)附图说明

图1为发烟式示踪粒子发生器的工作原理示意图。

图2为发烟式示踪粒子发生器的结构示意图。

图3为燃烧平台的结构示意图。(a主视图；b俯视剖面图)

图中符号说明如下：

1罐体；2上盖板；3燃烧平台；4投放窗口；5气源；6进气导管；7进气压力表；

8进气阀门；9细管；10排气导管；11过滤网；12出口压力表；13出口阀门；

14测量通道；15艾条；16橡胶密封圈。

(五)具体实施方式

见图1、图2，本发明为一种发烟式示踪粒子发生器，它是由罐体1及密封装置、燃烧平台3、投放窗口4、进气系统和排气系统组成。它们之间的位置连接关系是：

燃烧平台3放置在罐体1内中下部，密封装置通过标准件与罐体1连接，进气系统和排气系统穿过密封装置与罐体1连通，其另一端分别与外接气源5、测量通道14相连；投放窗口4设置在罐体1侧壁中上部，它通过管道与罐体1连通。

所述罐体1是圆柱形容器，其上部敞开并配置连接用的法兰盘，其侧壁中上部开有圆孔并通过它与投放窗口4相连。

所述密封装置由上盖板2和橡胶密封圈16构成；该上盖板2是其上设置有螺栓孔的圆形板料，其外径与罐体1上部配置的法兰盘相同；该橡胶密封圈16是圆环形状，按照要求市购。

所述燃烧平台3是其上设置有多个圆孔的圆形板料，其外径稍小于罐体1内径。孔径为18mm，孔的数量为25个，按圆板面积合理均匀分布。

所述投放窗口4是由一带方法兰的管道、盲板及标准件组成；该带方法兰的管道与盲板通过标准件连接；该盲板是其上设置有螺栓孔的方形板料，其外形尺寸与管道的方法兰相同；该投放窗口4位于罐体1侧面中上部，且位置高于燃烧平台3。

所述进气系统依次由气源5、进气压力表7、进气阀门8、进气导管6以及细管9组成；该气源5为压力1MPa的低压气流；该进气压力表7是低压精密压力表，量程为0-1.6MPa；该进气阀门8是J23W型外螺纹截止阀门，公称直径为8mm，公称压力为1.6MPa；该进气导管6为铜管，直径为18mm，与阀门型号配合；该细管9为铜管，直径为8mm，末端封闭且周向布置一圈小孔，使空气沿水平面喷出。细管9的数量为四根。

所述排气系统依次由排气导管10、过滤网11、出口压力表12以及出口阀门13组成；该排气导管10与进气导管6规格相同；该过滤网11是普通的金属网，可以根据排气导管10的尺寸进行市购；该出口压力表12是低压精密压力表，量程为0-1.6MPa；该出口阀门13是J23W型外螺纹截止阀门，参数规格与进气阀门8一致；

图1所示为示踪粒子发生器的工作原理，即利用进出口两个阀门及两个压力表、来调节和控制粒子的浓度。开始时，先关闭出口阀门，通过进口阀门控制进入罐体的气量，让粒子生成物在罐体内封闭燃烧，产生粒子，等浓度适合时打开出口阀门即可释放粒子。可以通过控制进气量来控制粒子生成物燃烧的时间，空气少，燃烧缓慢，发烟量少，适用于流速小粒子需求量少的工况；空气多，燃烧迅速，发烟量大，适用于流速大粒子需求量多的工况。

图2所示为示踪粒子发生器的结构示意图，现结合该图详细介绍一下各部件的结构和工作原理。粒子发生器的主体是一个罐体1，罐体1的尺寸可以根据试验设备尺寸以及气流速度大小适当选取，根据已有设计，当空气流量为每小时10～50立方米时，底面内径为260mm，高度为300mm。罐体1由橡胶垫圈16和上盖板2密封。

燃烧平台3位于罐体1中部偏下的位置，由内壁面上设置好的凸起定位。材料可以为钢板，厚度为5mm，直径为250mm。在板上打通孔，孔径为18mm，与艾条15的直径相当，如图3所示。将艾条15切成小段，底部插在孔中，顶部燃烧，烧完后的残余物则掉落到罐底。通孔的数量为25个，按平板的面积均匀分布；实际操作时要控制艾条15的数量，保证气流在罐体1内的自由流通，否则会导致燃烧不完全，造成浪费。对于燃尽和未燃尽的残余物，可以在下次投放前清理。

粒子投放窗口4是位于罐体1侧面的方形窗口，相对位置要高于燃烧平台3。当粒子数量需求较少时，可以直接采用这种投放方式，将艾条15投放到燃烧平台3上，然后密封即可。当需要较多粒子时，应采用上文所述的将艾条15固定于通孔的投放方法。

进气系统主要是为粒子的生成提供燃烧所需空气，也参与粒子的释放。依次由气源5、进气压力表7、进口阀门8、进气导管6和细管9组成。进气导管6在穿过上盖板2后连接四根细管9，细管9穿过燃烧平台3的通孔直至罐体1下部，为粒子生成物的燃烧和粒子的释放提供空气。实际操作时，通过进气压力表7和进口阀门8来监测和控制进入罐体1内的空气量，这样既可以控制粒子的浓度和数量，也可以控制艾条15燃烧的时间，可以满足不同测量的要求。

排气系统主要是为了释放粒子，依次由排气导管10、过滤网11、出口压力表12、出口阀门13组成。排气导管10一端穿过上盖板2进入罐体1，另一端连接测量通道14。过滤网11可以滞留烟雾中的焦油物质以及大颗粒的杂质，起到过滤和保护压力表及阀门的作用，但是要定期清理和更换。出口压力表12可以监测罐体1内粒子的压力，等粒子压力满足测量要求时打开出口阀门13即可。出口阀门13也起着控制粒子浓度和数量的作用。

整个结构的工作过程是：先布置艾条15并将其点燃，密封罐体1和投放窗口4并保持进、出口阀门8、13关闭。打开进口阀门8，让适量气流进入罐体1参与燃烧。经过一段时间的稳定燃烧后，观察出口压力表12，待罐体1内部压力合适后打开出口阀门13，释放粒子。如果暂时不需要粒子，应关闭出口阀门13。

Claims

1.一种发烟式示踪粒子发生器，其特征在于：它是由罐体及密封装置、燃烧平台、投放窗口、进气系统和排气系统组成，它们之间的位置连接关系是：燃烧平台放置在罐体内中下部，密封装置通过标准件与罐体连接，进气系统和排气系统穿过密封装置与罐体连通，其另一端分别与外接气源、测量通道相连；投放窗口设置在罐体侧壁中上部，它通过管道与罐体连通；

所述罐体是圆柱形容器，其上部敞开并配置连接用的法兰盘，其侧壁中上部开有圆孔并通过它与投放窗口相连；

所述密封装置由上盖板和橡胶密封圈构成；该上盖板是其上设置有螺栓孔的圆形板料，其外径与罐体上部配置的法兰盘相同；该橡胶密封圈是圆环形状，按照要求市购或自制；

所述燃烧平台是其上设置有多个圆孔的圆形板料，其外径小于罐体内径，孔的数量按板的面积选定；

所述投放窗口是由一带方法兰的管道、盲板及标准件组成；该带方法兰的管道与盲板通过标准件连接；该盲板是其上设置有螺栓孔的方形板料，其外形尺寸与管道的方法兰相同；该投放窗口位于罐体侧面中上部，且位置高于燃烧平台；

所述进气系统依次由气源、进气压力表、进气阀门、进气导管以及细管组成；该气源根据实验室条件自行选定，压力可调，但应保证气流压力高于测量通道主气流压力，压差为2-4KPa，以方便粒子流动；该进气压力表是精密压力表；该进气阀门是外螺纹截止阀门，公称直径和公称压力可以根据实际情况选定，但应与进气导管的直径相配合；该进气导管为铜管；该细管为铜管，末端封闭且周向布置一圈小孔，使空气沿水平面喷出，细管的数量依据燃烧平台的尺寸选定；

所述排气系统依次由排气导管、过滤网、出口压力表以及出口阀门组成；该排气导管与进气导管规格相同；该过滤网是普通的金属网，可以根据导管尺寸市购；该出口压力表是精密压力表；该出口阀门是外螺纹截止阀门，参数规格与进气阀门一致。

2.根据权利要求1所述的一种发烟式示踪粒子发生器，其特征在于：该进气导管的直径为17-19mm。

3.根据权利要求1所述的一种发烟式示踪粒子发生器，其特征在于：该细管的直径为7-9mm。

4.根据权利要求1所述的一种发烟式示踪粒子发生器，其特征在于：该进气压力表的量程为0-6MPa。

5.根据权利要求1所述的一种发烟式示踪粒子发生器，其特征在于：该进气阀门的型号是J23W型。

6.根据权利要求1所述的一种发烟式示踪粒子发生器，其特征在于：该出口压力表的量程为0-6MPa。

7.根据权利要求1所述的一种发烟式示踪粒子发生器，其特征在于：该出口阀门的型号是J23W型。