CN102620904A - 一种流场显示实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流场显示实验装置。本发明中管道的两端分别设置有进风口和出风口；在靠近进风口的管道中布置有示踪气体发生装置；在靠近出风口的管道中布置有轴流风机；在示踪气体发生装置和轴流风机的管道上布置有观察段；在上述观察段中布置有模型控制装置；在观察段上方布置有片光切割流场装置和图像数据采集控制装置；在上述示踪气体发生装置和观察段之间的管道中布置有稳流管束；所述计算机通过数据传输线与模型控制装置、图像数据采集控制装置和轴流风机相连；上述计算机和轴流风机之间连接有风机变频控制装置。本发明操纵简便，实验数据可靠，用于流场定性实验研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种用于流场定性实验研究的流场显示实验装置。
背景技术
流体流动是一种非常复杂的过程，很多流动规律有待研究。如果单纯用数理分析，在多数情况下难以得出正确结果，而必须依赖于实验来探索规律、验证理论、解决生产实际问题。流场显示和流场模拟是流体力学发展的两大核心任务，其中流场的显示技术是为了更好的从直观上了解整个流场的分布，掌握流动特点，帮助建立理论分析模型，而且可以从流动图像中获得信息，检验理论分析结果，发现新的现象。目前的流场显示技术很多，综合来看分为第一代传统方法和含有计算机辅助标志的第二代流场显示方法。第二代流场显示技术，如PIV，LIF等，普遍造价昂贵，操作复杂，需要实验人员才能取得理想效果；第一代传统流场显示技术各自存在着不足：如烟风洞不能显示某一特定截面上的流场分布，不利于观察绕流形成的涡流、脱流等现象。因此，通过设计一种流场显示实验装置用于高校本科教学和流场定性实验研究才是唯一可行的途径。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种操纵简便，实验数据可靠，用于流场定性实验研究的流场显示实验装置。
本发明包括计算机、管道、示踪气体发生装置、轴流风机、观察段、模型控制装置、片光切割流场装置、图像数据采集控制装置、稳流管束、风机变频控制装置；所述管道的两端分别设置有进风口和出风口；在靠近进风口的管道中布置有示踪气体发生装置；在靠近出风口的管道中布置有轴流风机；在示踪气体发生装置和轴流风机之间的管道上布置有观察段；在上述观察段中布置有模型控制装置；在观察段上方布置有片光切割流场装置和图像数据采集控制装置；在上述示踪气体发生装置和观察段之间的管道中布置有稳流管束；所述计算机通过数据传输线与模型控制装置、图像数据采集控制装置和轴流风机相连；上述计算机和轴流风机之间连接有风机变频控制装置。
作为本发明的改进，所述示踪气体发生装置包括可调加热器、恒温盘、可调速给粉电机、均匀给粉螺旋杆、储粉漏斗；所述恒温盘固定连接在可调加热器上；所述均匀给粉螺旋杆横向布置在恒温盘的上方，均匀给粉螺旋杆的一端与可调速给粉电机的输出端相连，另一端伸入到储粉漏斗中。
作为本发明的进一步改进，所述示踪气体发生装置还包括搅拌除渣杆、可调速搅拌电机和搅拌头；所述搅拌头连接在搅拌除渣杆的一端，搅拌头布置在恒温盘中；可调速搅拌电机的输出端与搅拌除渣杆的另一端相连。
作为本发明的改进，所述片光切割流场装置连接在一可以在360°范围内调节片光角度的旋转支架上。
本发明中的流场显示实验装置采用粒子示踪方法显示流场，即在暗环境下利用光学透镜将线状激光发散成较薄的类似于“激光片光”的光源，以此片光切割带有示踪气体的流场，显示流场某个截面上的流动状况，并通过调整片光系统的角度来实现流场各个截面上的显示。示踪粒子依次通过示踪气体发生装置、稳流管束、管道、观察段，生成的清晰图像传输到计算机中。
计算机可以集中统一控制模型控制装置、风机变频控制装置和图像数据采集控制装置，令实验操作大为简化。计算机发出“风机启动”指令，通过数据线将该指令传输到风机变频控制装置。风机变频控制装置对上述指令处理后，通过数据线将“风机启动”指令传到轴流风机，将轴流风机按照指定频率启动。上述轴流风机通过计算机控制的风机变频控制装置可以对轴流风机进行无级变速，通过计算机控制风机的频率，进而控制风机转速和示踪气体在管道中的流速。示踪气体发生装置接通电源后，可调加热器开始以设定温度恒温加热恒温盘。待恒温盘稳定加热到设定温度之后，可调速给粉电机带动均匀给粉螺旋杆转动，使得储粉漏斗内的示踪气体发生原料通过螺旋输送方式均匀、持续、可靠的送到恒温盘内。同时，可调速搅拌电机启动，带动搅拌除渣杆转动，布置在恒温盘中搅拌头在搅拌除渣杆的带动下不停地转动，从而不停地搅拌恒温盘中的示踪气体发生原料，防止上述原料结渣过高而影响装置的安全。上述示踪气体发生装置通过可调加热器将带有示踪特性的固体颗粒加热成气体，气体发生量可控可调，该装置中还可优选装有搅拌机构，以及时处理颗粒物加热燃烧后所产生的灰渣，安全可靠。通过上述恒温盘加热生成示踪气体，示踪气体进入管道，通过稳流管束形成稳定流场后进入观察段。稳流管束根据流体力学原理科学设置，与示踪气体发生装置距离为L，确保流场稳定。片光切割流场装置接通电源后，通过一束红色片光将来流的稳定示踪气体流场切割出一片清晰可见的流场截面。借助于调整旋转支架，可将片光调整到实验最佳位置。片光切割流场装置强度很高，通过旋转支架可以360°范围内调节片光角度，便于实验观察。计算机可通过数据线向模型控制装置发出指令，以将连接在模型控制装置上的实验模型调整到不同角度进行实验研究。实验模型通过计算机控制的上述模型控制装置可以简单方便的控制实验模型的角度。图像数据采集控制装置通过数据线将采集到的声音和图像实时实验数据传输到计算机，以进行实验结果分析处理，从而为实验提供最准确及时的数据信息。通过上述实验，可以显示三维空间内任意流场截面上的流动分离、尾流、旋涡、边界层等多种流动现象，从而为研究流体力学规律提供了可靠的实验依据。
附图说明
图1是本发明的流场显示实验装置示意图；
图2是本发明的示踪气体发生装置结构图；
图中：1-计算机，2-管道，2-1-进风口，2-2-出风口，3-示踪气体发生装置，3-1-可调加热器，3-2-恒温盘，3-3-可调速给粉电机，3-4-均匀给粉螺旋杆，3-5-储粉漏斗，3-6-搅拌除渣杆、3-7-可调速搅拌电机，3-8-搅拌头，4-轴流风机，5-观察段，6-模型控制装置，7-片光切割流场装置，8-图像数据采集控制装置，9-稳流管束，10-风机变频控制装置，11-旋转支架。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明中的流场显示实验装置包括计算机1、管道2、示踪气体发生装置3、轴流风机4、观察段5、模型控制装置6、片光切割流场装置7、图像数据采集控制装置8、稳流管束9、风机变频控制装置10。
所述管道2的两端分别设置有进风口2-1和出风口2-2。在靠近进风口2-1的管道2中布置有示踪气体发生装置3；在靠近出风口2-2的管道2中布置有轴流风机4。在示踪气体发生装置3和轴流风机4之间的管道2上布置有观察段5。在上述观察段5中布置有模型控制装置6；在观察段5上方布置有片光切割流场装置7和图像数据采集控制装置8。在上述示踪气体发生装置3和观察段5之间的管道2中布置有稳流管束9。
所述计算机1通过数据传输线与模型控制装置6、图像数据采集控制装置8和轴流风机4相连。上述计算机1和轴流风机4之间连接有风机变频控制装置10。
上述片光切割流场装置7优选由一旋转支架11支撑。借助于上述旋转支架11，片光切割流场装置7可在360°范围内旋转，以便生成各种实验所需的片光角度。
如图2所示，所述示踪气体发生装置3包括可调加热器3-1、恒温盘3-2、可调速给粉电机3-3、均匀给粉螺旋杆3-4、储粉漏斗3-5。
所述恒温盘3-2固定连接在可调加热器3-1上。所述均匀给粉螺旋杆3-4横向布置在恒温盘3-2的上方，均匀给粉螺旋杆3-4的一端与可调速给粉电机3-3的输出端相连，另一端伸入到储粉漏斗3-5中。上述由可调速给粉电机3-3、均匀给粉螺旋杆3-4、储粉漏斗3-5组成的可调速均匀给粉机构，能够均匀、持续、可靠的将储粉漏斗3-5中的示踪气体发生原料通过螺旋输送方式输送到恒温盘3-2内，使其在一个恒温的环境中加热生成示踪气体。
为了避免示踪气体发生原料在恒温盘3-2内结渣高度过高，影响装置的安全，所述示踪气体发生装置3还包括搅拌除渣杆3-6、可调速搅拌电机3-7和搅拌头3-8。所述搅拌头3-8连接在搅拌除渣杆3-6的一端，搅拌头3-8布置在恒温盘3-2中；可调速搅拌电机3-7的输出端与搅拌除渣杆3-6的另一端相连。
计算机1发出“风机启动”指令，通过数据线将该指令传输到风机变频控制装置10。风机变频控制装置10对上述指令处理后，通过数据线将“风机启动”指令传到轴流风机4，将轴流风机4按照指定频率启动。上述轴流风机4通过计算机1控制的风机变频控制装置10可以对轴流风机4进行无级变速，进而可以控制示踪气体在管道2中的流速。
示踪气体发生装置3接通电源后，可调加热器3-1开始以设定温度恒温加热恒温盘3-2。待恒温盘3-2稳定加热到设定温度之后，可调速给粉电机3-3带动均匀给粉螺旋杆3-4转动，使得储粉漏斗3-5内的示踪气体发生原料通过螺旋输送方式均匀、持续、可靠的送到恒温盘3-2内。同时，可调速搅拌电机3-7启动，带动搅拌除渣杆3-6转动，布置在恒温盘3-2中搅拌头3-8在搅拌除渣杆3-6的带动下不停地转动，从而不停地搅拌恒温盘3-2中的示踪气体发生原料，防止上述原料结渣过高而影响装置的安全。上述示踪气体发生装置3通过可调加热器3-1将带有示踪特性的固体颗粒加热成气体，气体发生量可控可调，该装置中还可优选装有搅拌机构，以及时处理颗粒物加热燃烧后所产生的灰渣，安全可靠。
通过上述恒温盘3-2加热生成示踪气体，示踪气体进入管道2，通过稳流管束9形成稳定流场后进入观察段5。稳流管束9根据流体力学原理科学设置，与示踪气体发生装置3距离为L，确保流场稳定。
片光切割流场装置7接通电源后，通过一束红色片光将来流的稳定示踪气体流场切割出一片清晰可见的流场截面。借助于调整旋转支架11，可将片光调整到实验最佳位置。片光切割流场装置7强度很高，通过旋转支架11可以360°范围内调节片光角度，便于实验观察。
计算机1可通过数据线向模型控制装置6发出指令，以将连接在模型控制装置6上的实验模型调整到不同角度进行实验研究。实验模型通过计算机控制的上述模型控制装置6可以简单方便的控制实验模型的角度。
图像数据采集控制装置8通过数据线将采集到的声音和图像实时实验数据传输到计算机1，以进行实验结果分析处理，从而为实验提供最准确及时的数据信息。
计算机1可以集中统一控制模型控制装置6、风机变频控制装置10和图像数据采集控制装置8，令实验操作大为简化。
Claims (4)
1.一种流场显示实验装置，其特征在于：包括计算机（1）、管道（2）、示踪气体发生装置（3）、轴流风机（4）、观察段（5）、模型控制装置（6）、片光切割流场装置（7）、图像数据采集控制装置（8）、稳流管束（9）、风机变频控制装置（10）；所述管道（2）的两端分别设置有进风口（2-1）和出风口（2-2）；在靠近进风口（2-1）的管道（2）中布置有示踪气体发生装置（3）；在靠近出风口（2-2）的管道（2）中布置有轴流风机（4）；在示踪气体发生装置（3）和轴流风机（4）之间的管道（2）上布置有观察段（5）；在上述观察段（5）中布置有模型控制装置（6）；在观察段（5）上方布置有片光切割流场装置（7）和图像数据采集控制装置（8）；在上述示踪气体发生装置（3）和观察段（5）之间的管道（2）中布置有稳流管束（9）；所述计算机（1）通过数据传输线与模型控制装置（6）、图像数据采集控制装置（8）和轴流风机（4）相连；上述计算机（1）和轴流风机（4）之间连接有风机变频控制装置（10）。
2.根据权利要求1所述的流场显示实验装置，其特征在于：所述示踪气体发生装置（3）包括可调加热器（3-1）、恒温盘（3-2）、可调速给粉电机（3-3）、均匀给粉螺旋杆（3-4）、储粉漏斗（3-5）；所述恒温盘（3-2）固定连接在可调加热器（3-1）上；所述均匀给粉螺旋杆（3-4）横向布置在恒温盘（3-2）的上方，均匀给粉螺旋杆（3-4）的一端与可调速给粉电机（3-3）的输出端相连，另一端伸入到储粉漏斗（3-5）中。
3.根据权利要求2所述的流场显示实验装置，其特征在于：所述示踪气体发生装置（3）还包括搅拌除渣杆（3-6）、可调速搅拌电机（3-7）和搅拌头（3-8）；所述搅拌头（3-8）连接在搅拌除渣杆（3-6）的一端，搅拌头（3-8）布置在恒温盘（3-2）中；可调速搅拌电机（3-7）的输出端与搅拌除渣杆（3-6）的另一端相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的流场显示实验装置，其特征在于：所述片光切割流场装置（7）连接在一可以在360°范围内调节片光角度的旋转支架（11）上。
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