CN102519628A

CN102519628A - 颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置

Info

Publication number: CN102519628A
Application number: CN2011104243850A
Authority: CN
Inventors: 王兴奎; 陈槐; 胡江; 陈启刚; 钟强; 李丹勋
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: CN102519628B

Abstract

本发明涉及颗粒三维受力及与二维流速场耦合测量的装置，属于水利试验领域；该装置包括计算机及分别与该计算机相连的PIV流速测量单元和三维测力单元；该PIV流速测量单元位于实验水槽侧壁外，该三维测力单元主要包括由固接为一体的受力颗粒与颗粒托板组成的受力颗粒组件、三维测力骨架及固定部件，以及三个测力应变片；该三个测力应变片分别安装在三维测力骨架的三个轴向上，用于测量颗粒的三维受力；计算机分别与PIV流速测量单元和三维测力单元相连，用于同步控制、采集并保存该两个单元的测量数据。该装置可以高频、高质量的实现颗粒三维受力及颗粒周围二维流速场的同时采集，为研究颗粒三维受力与二维流速场的内在联系和相互作用机理奠定实验基础。

Description

颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置

技术领域

本发明属于水利试验领域，特别涉及一种颗粒三维受力及与二维流速场耦合测量的装置。

背景技术

在紊动水流的作用下，颗粒受力具有明显的三维特性。经典的流体力学表明，颗粒的受力F_D与水流的速度V的关系为：

F_{D} = ρ C_{D} A \frac{V^{2}}{2}

式中：ρ为水体的密度，C_D为颗粒的阻力系数，A为颗粒迎流的有效面积。大量的研究表明，水流速度的脉动遵循正态分布，则从上式可知，颗粒受力的脉动应为χ²分布。H.A.爱因斯坦1949年第一次通过实验测量了水槽床面上颗粒的上举力，发现颗粒的受力F_D的脉动基本遵循正态分布；其他相关的实验也得出了大致相同的结论。显然，对颗粒受力问题的统一认识仍然需要更多高精度实验数据的支撑，这对颗粒测力仪的性能提出了更高要求。

H.A.爱因斯坦1949年测量上举力的系统，如图1所示，主要包括实验水槽11、固定受力颗粒12、三个测压孔13、测压管14及测压软管16，其中，测压软管16的两端分别与测压孔13和测压管14连接，三个测压孔13分布在受力颗粒12的顶部ht和底部两边hb。其基本工作原理是：受力颗粒所受的上举力可以通过颗粒表面的压力差求得，压力可由测压管中的水位计15测量，轮流连接测压软管16及各测压孔13，通过分别读取测压管内的液面高程即可求得受力颗粒表面的压力分布，从而推求出上举力。该系统的主要缺点在于采样频率较低；各测压孔测得的颗粒表面的压力不是同一时间序列的压力分布；只能测上举力，不能测量其他两个方向的受力；不能同时测量受力颗粒周围的速度场。

对于瞬时二维流速场的测量，可采用粒子图像测速技术PIV(Particle ImageVelocimetry)。在流速测量的发展过程中，从传统的浮漂测距-计时法、毕托管、旋桨流速仪，到现代的电磁流速仪、热膜(丝)流速仪、激光流速仪等都为单点测量；超声流速仪则可以同时测量流速的垂线分布；近30年发展起来的粒子图像测速技术PIV实现了从点、线到面的瞬时剖面流速场测量的跨越。该粒子图像测速技术已有商用PIV成套设备，如美国TSI公司、丹麦Dantec公司、中国北京立方天地科技发展有限责任公司的PIV及清华大学自主研发的数字粒子图像测速技术DPIV(Digital Particle Image Velocimetry)。

发明内容

本发明的目的是为克服已有测力技术的不足之处，提出了一种用于颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置，该装置结合最新的流速测量技术，可以高频、高质量的实现颗粒三维受力及颗粒周围二维流速场的同时采集，为研究流场中不同高度的颗粒三维受力与二维流速场的内在联系和相互作用机理奠定实验基础。

本发明提出的一种颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置，其特征在于，该装置包括计算机及分别与该计算机相连的PIV流速测量单元和三维测力单元；其中，该PIV流速测量单元位于实验水槽侧壁外，用于测量颗粒周围的二维流场；该三维测力单元主要包括由固接为一体的受力颗粒与颗粒托板组成的受力颗粒组件、三维测力骨架、三个测力应变片及外盒；该三维测力单元外盒镶嵌在实验水槽床底，外盒盒盖与该床底处于同一平面；调节颗粒托板使该受力颗粒位于实验水槽床底平面上，或使颗粒处于床面以上的流场中，该颗粒托板与测力骨架上端面相连；该三个测力应变片分别安装在三维测力骨架的三个轴向上，用于测量颗粒的三维受力；计算机分别与PIV流速测量单元和三维测力单元相连，用于同步控制、采集并保存该两个单元的测量数据。

本发明的技术效果是：

1.三维测力单元将颗粒的三维受力分解为三个垂直方向的力，并同时独立高频的测出三个方向的受力；

2.测量流场中不同高度颗粒受力的同时，用PIV流速测量单元高频采集颗粒附近的二维流速场；

3.计算机确保同步控制PIV流速测量单元及三维测力仪单元并采集测量数据。

附图说明

图1为已有的上举力测量系统示意图

图2为本发明的颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置实施例总体结构示意图。

图3为本实施例的三维测力单元实施例结构示意图。

图4为本实施例三维测力单元外盒盒盖与受力颗粒组件组装示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本发明的一种颗粒三维受力及与二维流速场耦合测量装置进行详细说明。

本发明提出的一种颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置实施例结构，如图2所示，包括计算机25及通过数据线26分别与计算机相连的PIV流速测量单元(22及23)和三维测力单元21；其中，PIV流速测量单元位于实验水槽24侧壁外，用于测量颗粒周围的二维流场；该三维测力单元主要包括由固接为一体的受力颗粒与颗粒托板组成的受力颗粒组件、三维测力骨架、三个测力应变片及外盒；该三维测力单元外盒镶嵌在实验水槽床底，外盒盒盖与该床底处于同一平面；调节颗粒托板使该受力颗粒位于实验水槽床底平面上，或使颗粒处于床面以上的流场中，该颗粒托板与测力骨架上端面相连；该三个测力应变片分别安装在三维测力骨架的三个轴向上，用于测量颗粒的三维受力；计算机分别与PIV流速测量单元和三维测力单元相连，用于同步控制、采集并保存该两个单元的测量数据。

本发明装置的工作原理为：

通过三维测力仪单元采集颗粒的三维受力信息，同时用PIV流速测量单元采集颗粒周围的瞬时二维流场信息，从而为颗粒三维受力与二维流场耦合关系的建立奠定实验基础。其中，三维测力单元工作原理为，测量物体的受力变形，利用应力应变关系(受力与变形关系)反推出物体的受力；PIV单元工作原理为，通过测量流体内的示踪粒子在一定时间内的位移，除以时间得到流体速度。

本发明装置的各部件的具体实施例及其功能详细说明如下：

本实施例的实验水槽24边壁为透明有机玻璃，并预先在水槽床底预留埋设三维测力单元21所需的空间。

本实施例的PIV流速测量单元由高速摄像机23及激光22组成，采用的是清华大学自主研发的DPIV。

本实施例的三维测力单元由受力颗粒组件31、三维测力骨架32、三个应变片33，及由底座34和外盒35构成的固定部件组成，如图3所示(省略了外盒盒盖及应变片的连线)。其中：

受力颗粒组件31由受力颗粒31-1、颗粒托板31-2及螺杆31-3组成。受力颗粒31-1与颗粒托板31-2的连接为粘结，也可以使用一定长度的高强度钢针连接颗粒与托板，使颗粒处于床面以上的流场中，受力颗粒可以采用玻璃球，让激光片光源穿过玻璃球照亮整个流场，受力颗粒31-1可更换为不同大小的玻璃球；螺杆31-3与颗粒托板31-2焊接，通过调节螺杆31-3在螺孔32-2中的位置，可调节颗粒托板31-2的相对高度。

三维测力骨架采用弹簧钢钢板，加工形成(本实施例采用类似“乙”字形)棱柱测力仪骨架，并在骨架上开测力孔32-1，加大受力变形，图中，测力孔编号分别为1#、2#及3#，图中，骨架左横梁开测力孔3#，骨架右竖梁开测力孔1#及2#，其中1#加大x方向受力变形，2#加大z方向受力变形，3#加大y方向受力变形。骨架左末端32-4为组装时的固定点；骨架右上方的螺孔32-2为受力颗粒支撑螺杆31-3的插孔。

三个应变片33分别贴于三个测力孔32-1侧面，用来采集骨架的受力变形信号，编号分别为A#、B#及C#，分别安装在对应于测力孔1#、2#及3#的侧壁上，并分别位于三维测力骨架的x、z、y轴向，即A#应变片独立测量x方向受力变形，B#应变片独立测量z方向受力变形，C#应变片独立测量y方向受力变形。

本实施例三维测力单元还包括外盒，三维测力骨架左横梁末端32-3通过固定端板34固定在外盒侧壁35-1上，如图3所示；外盒盒盖34-2开孔34-3用来让受力小球31-1的颗粒托板31-2穿出，盒盖开孔与颗粒托板之间存在一定的间隙，用来保证测力骨架受力变形时可以自由晃动，调节螺杆31-3可使托板面与盒盖面齐平，如图4所示。

计算机应满足三维测力单元及PIV流速测量单元的高速采集数据所需的配置要求，CPU至少2GHz以上，内存至少4G以上。

本实施例的具体工作方式如图2所示：将颗粒三维测力仪21埋设在试验水槽24的床面以下，保证外盒盒盖35-2与床面齐平，调节托板支撑螺杆31-3，调整颗粒托板31-2的上下高度，使托板处于盒盖水平面内，使受力颗粒31-1突出在床面上，也可以使用一定长度的高强度钢针连接颗粒与托板，使颗粒处于床面以上的流场中；利用PIV流速测量单元的激光22打出片光27，照亮受力颗粒周围的流场，利用PIV流速测量单元的相机23拍摄受力颗粒周围片光27内的示踪粒子28图片；通过计算机25同步控制三维测力及PIV单元，测力应变片高频测量的颗粒受力信号及相机采集的颗粒周围的二维流场信号，通过信号线26传给计算机25进行存储。通过本发明即可同时测量颗粒瞬时三维受力及其周围的瞬时流场，为研究颗粒三维受力与二维流速场的耦合关系奠定实验基础。

Claims

1.一种颗粒三维受力与二维流速场的耦合测量装置，其特征在于，该装置包括计算机及分别与该计算机相连的PIV流速测量单元和三维测力单元；其中，该PIV流速测量单元位于实验水槽侧壁外，用于测量颗粒周围的二维流场；该三维测力单元主要包括由固接为一体的受力颗粒与颗粒托板组成的受力颗粒组件、三维测力骨架、三个测力应变片及外盒；该三维测力单元外盒镶嵌在实验水槽床底，外盒盒盖与该床底处于同一平面；调节颗粒托板使该受力颗粒位于实验水槽床底平面上，或使颗粒处于床面以上的流场中，该颗粒托板与测力骨架上端面相连；该三个测力应变片分别安装在三维测力骨架的三个轴向上，用于测量颗粒的三维受力；计算机分别与PIV流速测量单元和三维测力单元相连，用于同步控制、采集并保存该两个单元的测量数据。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述三维测力骨架上开有三个测力孔，用于加大受力变形；所述三个应变片分别贴于三个测力孔的侧面，并分别位于三维测力骨架的X、Y、Z轴向。