CN102426092A - 一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，包括氢气泡控制电路、水循环回路、铂丝高度调节装置、图像采集装置；氢气泡控制电路包括函数发生器、可调电阻、三极管、继电器、直流可调稳压电源、示波器、碳棒、铂丝，水循环回路包括水箱、循环水泵、过滤器、涡轮流量计、试验段，铂丝高度调节装置包括千分尺、基座、探针、丝杆，图像采集装置包括冷光源、高速摄像机。本发明测量精度高，结果分析的准确性高。可以模拟管道中流体的流动，并进行水平、倾斜、竖直等不同角度的试验研究。还可以对光滑表面和不同结构的粗糙表面进行边界层的流场分析和可视化试验。

Description

一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种流体力学和传热学技术领域的试验装置。

背景技术

流体的流动是自然界与工程技术领域中常见的流动现象，流体的对流换热是工程换热器中最常见的换热方式，而其热阻通常是构成换热器总热阻的主要部分。长期以来，对于强化换热的研究多基于应用或结构，而对边界层方面的研究较少，人们在研究强化换热技术时，重点将破坏层流底层作为加强换热的主要手段。但随着研究的不断深入，人们发现只从破坏表面边界层的角度来考虑已不能为强化换热技术提供足够的理论支持。随着湍流边界层拟序结构的发现，使得研究人员对湍流边界层的研究有了新的进展，这一新的理论为提高强化换热技术指出了新的方向。

目前，对于湍流边界层拟序结构的研究主要采用可视化的试验方法，而试验装置是保障试验条件、获取可靠数据必须倚靠的硬件设施。从公开发表的文献资料来看，虽然对于湍流边界层拟序结构的研究开展的比较广泛，但各研究单位所使用的试验装置和试验方法不尽相同，且主要存在三方面的问题：①主要针对开口槽道和流速较低的条件，这种试验装置的试验段存在自由液面，只能用于水平方向流动的研究，不能进行竖直和倾斜等其它角度的研究，且无法模拟实际管道中的流动情况。②为了研究边界层内不同高度的实际情况，需要在试验中对铂丝高度进行调节，但目前普遍使用的铂丝高度调节装置(如三维坐标架)尺寸较大，精度很低，且由于密封等方面的原因，并不适用于有一定压力的封闭管道。③使用的摄像和照明设备精度较低，无法清晰拍摄高流速条件下的试验现象，使高流速下的研究存在一定的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供可真实模拟实际管道中的流动情况，并实现试验段不同角度的布置，利用粗糙度和表面结构不同的试验板模拟各种强化换热表面，采用氢气泡示踪技术对边界层内的流动情况进行可视化的试验研究，从而为边界层拟序结构和强化换热技术的研究提供可靠的技术支持的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：包括氢气泡控制电路、水循环回路、铂丝高度调节装置、图像采集装置；所述的氢气泡控制电路包括函数发生器、可调电阻、三极管、继电器、直流可调稳压电源、示波器、碳棒、铂丝，继电器输入端的正极依次连接可调电阻、三极管的集电极、函数发生器输出端口的正极，继电器输入端的负极与三极管的发射极和函数发生器输出端口的阴极相连，继电器输入端的正负极之间加载5V电压，继电器输出端的负极连接碳棒，继电器输出端的正极连接直流可调稳压电源的正极，直流可调稳压电源的负极连接铂丝，示波器的正负极分别连接到碳棒和铂丝上；所述的水循环回路包括水箱、循环水泵、过滤器、涡轮流量计、试验段，试验段的入口包括两个支路，试验段入口第一支路依次连接涡轮流量计、过滤器、循环水泵和水箱，试验段入口第二支路经阀门与大气相通，试验段的出口经管线连接水箱；所述的铂丝高度调节装置包括千分尺、基座、探针、丝杆，千分尺固定在基座上，千分尺的转动机构与丝杆相固定，探针上端与基座相连，探针下端与铂丝固连；所述的图像采集装置包括冷光源、高速摄像机，冷光源照射铂丝上方位置，高速摄像机拍摄铂丝上方位置图像。

本发明还可以包括：

1、所述的试验段包括入口稳定段、观测段、出口稳定段，入口稳定段、观测段、出口稳定段依次相连，用于试验的试验板、碳棒、铂丝、铂丝高度调节装置均安装在试验段里。

2、所述的试验段的观测段内部设有用于安装试验板的卡槽。

3、所述的铂丝的直径为8-20微米。

4、所述的循环水泵设有旁通回路，旁通回路与水箱连接，旁通回路在水箱内的出口方向设置为向下。

5、所述的水箱和试验段的下方均设有排放支路，各个排放支路分别设置第一阀门和第二阀门，当第一阀门和第二阀门同时打开时，将整个水循环回路的水全部排出，将第二阀门关闭，第一阀门连接进水管路直接向水箱注水。

6、所述的千分尺与丝杆同轴且两者步进速度一致。

7、所述的探针有两个，除探针的上下端面外均进行绝缘处理，两个探针下端长度一致。

8、所述的探针与丝杆中心轴在同一平面且相互平行。

本发明的优势在于：可实现单相流动情况下，层流和湍流边界层的可视化试验研究，是边界层拟序结构研究和强化换热技术革新必不可少的重要试验装置。该装置可实现：(1)模拟管道中流体的流动，并进行水平、倾斜、竖直等不同角度的试验研究。(2)对光滑表面和不同结构的粗糙表面进行边界层的流场分析和可视化试验。(3)测量精度高，试验装置配备的测量和采集系统精度均在0.5级以上，并采用专门设计的铂丝高度调节装置对铂丝距离壁面的高度进行精确调节，调节的最小刻度可达0.01mm。(4)结果分析的准确性高，试验采用拍摄速度可达100万帧/秒的FASTCAM-512PCI型高速摄像机对每组试验的现象均进行全程记录，并采用专门的软件进行慢放、回放及图像处理等操作，确保高雷诺数条件下准确捕捉流动结构的一些瞬时现象及边界层内流场的分布状态，保证结果分析的可靠性和准确性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的铂丝高度调节装置示意图；

图3是本发明的矩形管道示意图；

图4是本发明采用的一些表面粗糙结构不同的试验板示意图；

图5是本发明中采用的数据采集系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，整体结构主要由函数发生器1、可调电阻2、NPN三极管3、继电器4、直流可调稳压电源5、示波器6、碳棒7、铂丝8、水箱9、调节阀10、调节阀11、循环水泵12、过滤器13、压力变送器14、球阀15、涡轮流量计16、铜-康铜铠装热电偶17、球阀18、试验段19、铂丝高度调节装置20、LG-150型冷光源21、FASTCAM-512PCI型高速摄像机22、试验板23、铜-康铜铠装热电偶24、调节阀25连接组成，还包括千分尺结构26、不锈钢基座27、定位销28、探针29、螺纹连接件30、丝杆31、螺钉32、不锈钢底板33、密封橡胶34、观测段顶盖35、螺栓孔36、连接法兰37、入口稳定段38、观测段39、出口稳定段40、探针接口41、碳棒接口42。

本发明包括氢气泡控制电路、水循环回路、铂丝高度调节装置和图像采集系统，所述的氢气泡控制电路主要由函数发生器1，可调电阻2，NPN三极管3，继电器4，直流可调稳压电源5，示波器6，碳棒7和铂丝8组成，所述继电器4输入端有正负两级，正极通过导线依次连接可调电阻2、NPN三极管3的集电极和函数发生器1输出端口的正极，继电器4输入端的负级通过导线与NPN三极管3的发射极和函数发生器1输出端口的阴极相连，继电器4输入端的正负极之间加载5V电压，所述继电器4输出端有正负两级，负极通过导线直接连接实验段上的碳棒7，正极通过导线连接直流可调稳压电源5正极，直流可调稳压电源5负极连接铂丝8，示波器6的正负极分别连接到碳棒7与铂丝8上；所述的水循环回路主要由水箱9、循环水泵12、过滤器13、涡轮流量计16、试验段19、温度测量系统、压力测量系统和数据采集系统组成，所述的试验段入口分为两个支路，其中一条支路通过管线依次连接涡轮流量计16、过滤器13、循环水泵12和水箱9，另一条支路经阀门18与大气相通，所述试验段的出口经管线连接水箱9；所述的铂丝高度调节装置20由千分尺结构26、不锈钢基座27、定位销28、探针29、29′、螺纹连接件30、丝杆31、螺钉32、不锈钢底板33和密封橡胶34组成；所述的图像采集系统由LG-150型冷光源21和FASTCAM-512PCI型高速摄像机22组成，其中FASTCAM-512PCI型高速摄像机22的拍摄速度可达100万帧/秒。

在氢气泡控制电路中，函数发生器1主要用于控制氢气泡产生的频率和时间间隔，直流可调稳压电源5用于控制氢气的产量，试验中通过调节电压来调节氢气泡线的清晰度，示波器6用于监控电解过程的电流和波形，铂丝8直径为8～20微米，可有效抑制氢气泡的上浮作用。

循环水泵12设有旁通回路，旁通回路与水箱9连接，通过调节阀门10的开度来调节压头与流量，旁通回路在水箱内的出口方向设置为向下，防止水箱内的水发生振动，保证整个实验平台的稳定性。

在水箱9和试验段19的下方均设有排放支路，当阀门11和阀门18同时打开时，可将整个水循环回路中的水全部排出，防止腐蚀产物和杂质沉淀，保证回路的清洁度；当回路清洗完毕后，可将阀门18关闭，由阀门11支路连接进水管路，直接向水箱9中注水。

试验段19为矩形有机玻璃管道，可分别进行水平、竖直和倾斜方向的试验研究、试验现象观察和图像采集，整个试验段分为入口稳定段38、观测段39和出口稳定段40，通过连接法兰37与进出口管路相连，其中，入口稳定段和出口稳定段用于防止上游和下游流体对观测段流场产生影响，观测段39内部设有用于安装试验板23的卡槽，用于安装不同表面结构和粗糙度的试验板，来进行边界层流动结构的对比试验研究，观测段顶盖35可以取下，它与观测段本体通过螺栓进行连接，中间通过密封垫片进行密封，观测段顶盖35上面开有探针接口41和螺栓孔36，用于连接和固定铂丝高度调节装置20。

观测段顶盖35上的铂丝高度调节装置20，用于在试验过程中随时调节铂丝与试验段底面间的距离，所述的千分尺结构26与普通千分尺的测量原理相同，且固定在不锈钢基座27上，其转动机构与丝杆31固定且同轴，丝杆31与螺纹连接件30通过螺纹连接，并与上端的千分尺结构26的步进速度一致，螺纹连接件30通过螺钉32固定在不锈钢底板33上，不锈钢底板33与观测段顶盖35之间设有密封橡胶34，所述的铂丝高度调节装置20设有两个探针29、29′，探针采用不锈钢结构，除上下端面外，均进行绝缘处理，探针上端与不锈钢基座27通过螺纹连接，并由定位销28固定，保证探针下端长度一致并防止试验过程中螺纹松动，探针与丝杆31中心轴在同一片面且相互平行，保证测量精度，探针下端面与铂丝8通过点焊固定，上端面连接氢气泡控制电路。

试验段的进出口温度均由铜-康铜铠装热电偶进行精确测量17、24，回路压力由压力传感器14进行测量，回路流量由涡轮流量计16进行测量，全部测量设备的精度均在0.5级以上。

试验测量的温度、流量和压力数据均由IMP分散式数据采集系统输入PC机，采用专门编制的软件对实验数据进行采集、计算、显示的操作，实现对实验工况的实时监测，同时还可以对所有的数据进行存盘、处理、打印，以供后期深入研究使用。

用于边界层可视化试验研究，其技术方案是：试验前先将试验板23装入试验段19的凹槽内，将碳棒7和铂丝高度调节装置20与观测段顶盖35连接后，将铂丝拉直并点焊在探针29和29′的下端面上，并将探针上端面及碳棒7与氢气泡控制电路相连，最后将观测段顶盖35与试验段基体连接并密封，形成闭合管道。试验时，先利用铂丝高度调节装置20将铂丝调到一个指定高度，再启动水循环回路中的循环水泵12，使水经过过滤器13、涡轮流量计16进入试验段19，再由出口管路回到水箱9中，形成闭合回路。待回路充分润湿后，启动氢气泡控制电路，依次打开函数发生器1、直流可调稳压电源5，调节函数发生器1的电解频率、占空比以及直流稳压电源5的电压值，使铂丝8产生清晰的氢气泡。调整LG-150型冷光源21的光纤的角度，使FASTCAM-512PCI型高速摄像机22视野内有一个清晰的图像。试验过程中，试验段进出口温度由热电偶17、热电偶24进行测量，回路压力由压力变送器14进行测量，流量由涡轮流量计16进行测量，试验图像资料由FASTCAM-512PCI型高速摄像机22进行记录。

Claims (9)

1.一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：包括氢气泡控制电路、水循环回路、铂丝高度调节装置、图像采集装置；所述的氢气泡控制电路包括函数发生器、可调电阻、三极管、继电器、直流可调稳压电源、示波器、碳棒、铂丝，继电器输入端的正极依次连接可调电阻、三极管的集电极、函数发生器输出端口的正极，继电器输入端的负极与三极管的发射极和函数发生器输出端口的阴极相连，继电器输入端的正负极之间加载5V电压，继电器输出端的负极连接碳棒，继电器输出端的正极连接直流可调稳压电源的正极，直流可调稳压电源的负极连接铂丝，示波器的正负极分别连接到碳棒和铂丝上；所述的水循环回路包括水箱、循环水泵、过滤器、涡轮流量计、试验段，试验段的入口包括两个支路，试验段入口第一支路依次连接涡轮流量计、过滤器、循环水泵和水箱，试验段入口第二支路经阀门与大气相通，试验段的出口经管线连接水箱；所述的铂丝高度调节装置包括千分尺、基座、探针、丝杆，千分尺固定在基座上，千分尺的转动机构与丝杆相固定，探针上端与基座相连，探针下端与铂丝固连；所述的图像采集装置包括冷光源、高速摄像机，冷光源照射铂丝上方位置，高速摄像机拍摄铂丝上方位置图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：所述的试验段包括入口稳定段、观测段、出口稳定段，入口稳定段、观测段、出口稳定段依次相连，用于试验的试验板、碳棒、铂丝、铂丝高度调节装置均安装在试验段里。

3.根据权利要求2所述的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：所述的试验段的观测段内部设有用于安装试验板的卡槽。

4.根据权利要求3所述的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：所述的铂丝的直径为8-20微米。

5.根据权利要求4所述的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：所述的循环水泵设有旁通回路，旁通回路与水箱连接，旁通回路在水箱内的出口方向设置为向下。

6.根据权利要求5所述的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：所述的水箱和试验段的下方均设有排放支路，各个排放支路分别设置第一阀门和第二阀门，当第一阀门和第二阀门同时打开时，将整个水循环回路的水全部排出，将第二阀门关闭，第一阀门连接进水管路直接向水箱注水。

7.根据权利要求6所述的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：所述的千分尺与丝杆同轴且两者步进速度一致。

8.根据权利要求7所述的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：所述的探针有两个，除探针的上下端面外均进行绝缘处理，两个探针下端长度一致。

9.根据权利要求8所述的一种基于氢气泡流动显示技术的边界层可视化试验装置，其特征是：所述的探针与丝杆中心轴在同一平面且相互平行。

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