CN103743537B - 用于piv实验示踪粒子的保压投放装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，包括带有保压腔的罐体，罐体上设有进气孔和出气孔，所述进气孔至少有三个，各进气孔沿罐体周向均匀布置，各进气孔位于罐体下方，所述保压腔内壁上设有自进气孔处延伸出的导气管，各导气管的出气口沿罐体周向且朝同一方向设置；进气孔和出气孔处均设有阀门。本发明主要在常规PIV实验中应用，不仅操作简单，而且结构小巧，随制随用，可在A地点制备完毕后，通过手提方式携带至B地点储存或实验用，从而解决空压机体积太大造成实验场地的浪费，以及空压机工作时所产生的噪音污染等问题。本发明还涉及一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置操作方法。

Description

用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置及方法

技术领域

本发明涉及一种保压投放装置，尤其是一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置。本发明还涉及一种保压投放装置操作方法，尤其是一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置操作方法。

背景技术

PIV(粒子图像测速)技术是20世纪80年代发展起来的一种新型流动测量及显示技术，在对流场不产生干扰的情况下，对流场的流动情形进行观测。其工作的原理是在需观测流场中加入示踪粒子，并跟踪流场运动，CCD(电荷耦合元件)相机记录该粒子在流场中某时刻的光学成像并传输到数据采集系统，然后对粒子图像进行分析处理就可以得到该时刻的流场运动参数，而PIV实验中实际测量的是示踪粒子的运动形态。主要通过对大量粒子图像的处理，从而得到该流场观测面的速度、涡量、流线、等速度线等反映该流场特征的各项参数，由此获得示踪粒子来反映流体的运动状态和现实现象。

PIV实验能否成功的一个关键因素为粒子的浓度情况，特别对于高速的风洞实验，示踪粒子的选择和布撒直接或间接地影响着粒子浓度。其中，示踪粒子在流场中的布撒技术，在PIV实验中是极其重要的环节。示踪粒子在流场中的运行品质，直接影响PIV对被测流场客观实际描述的真实、准确、可靠程度。而示踪粒子在流场中的运行品质极大地依赖示踪粒子布撒的方式。对同一被测流场，由于采取不同的示踪粒子布撒方式，PIV实验则可能测出准度、精度均有相当差异的结果，由此对被测流场描述的细致程度也不相同。

目前，在PIV实验中有两种常用的布撒示踪粒子方式：

第一种方式是：通过被测模型内部的管路，在模型某些部位向被测区域均匀布撒示踪粒子。此种方式在复杂流动测量和边界层测量中有使用。

第二种方式是：在全流场中均匀布撒示踪粒子，或者在局部流场中均匀布撒示踪粒子。这是当前PIV测速最常用的方式。此种方式可由风洞的稳定段向试验段的局部区域或者全流场均匀布撒示踪粒子。但由于布撒管路安置在稳定段，距离试验段较近，不可避免地对试验段流场有一定影响。需要采取一些措施，减少布撒管路对试验段流场的影响。在回流式风洞中，可以由风洞的扩散段向全流场均匀布撒示踪粒子。其布撒管路安置在扩散段，不会对试验段流场产生任何影响，形成较高品质的示踪粒子流，稳定均匀地跟随气流布满整个试验段，流过被测区域，但对CCD相机的局部流场拍摄有些影响。

上述两种方式主要是针对低速风洞实验中投放示踪粒子时的操作，而一旦需要进行高速风洞实验时，高速气流进入被测流场后会导致被测流场内示踪粒子在短时间内被吹飞，从而无法使得被测流场内始终存在示踪粒子混合均匀的气流场，极大程度上影响着PIV实验的准度和精度。另外，在PIV实验过程中，CCD相机等设备安放完毕后，不能轻易移动，否则严重影响实验结果，而传统示踪粒子的投放用设备体积较大，不利于随制随用。因此，如何合理布撒示踪粒子，获得高品质的流场图像称为PIV实验的关键。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种保证保压腔内添加示踪粒子时更加简便看，同时还保证所投放示踪粒子浓度及混合充分均匀的保压投放装置。为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种携带方便，可预混合、预保压，保证所投放示踪粒子浓度及混合充分均匀的保压投放装置操作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，包括带有保压腔的罐体，罐体上设有进气孔和出气孔，

所述进气孔至少有三个，各进气孔沿罐体周向均匀布置，各进气孔位于罐体下方；

所述保压腔内壁上设有自进气孔处延伸出的导气管，各导气管的出气口沿罐体周向且朝同一方向设置；

进气孔和出气孔处均设有阀门；

粒子投放座，该粒子投放座包括有：定位架，卡设于进气孔处；粒子安置台，架设于支撑架上，且供示踪粒子放置用；支撑架，用于将粒子安置台支撑在定位架上。

为了保证罐体内的压力不会泄露，所以阀门包括有：进气单向阀，安装于进气孔处且气流方向朝向保压腔内；出气单向阀，安装于出气孔处且气流方向朝向罐体外。而且凭借进气单向阀和出气单向阀的设置，就算未及时关闭进气孔和出气孔，保压腔内的高压气体都不会泄露出来，从而保证该保压投放装置的安全、及操作的简易。

为了能实时获得保压腔内的压力情况，所以在所述罐体上设有用于监测保压腔内部压力的气压表，从而在保压腔内部压力达到所需大小时，在第一时间结束对保压腔内充压。

为了操作时的安全，避免因为疏忽导致罐体内压力超过极限，所以在所述罐体上设有用于控制保压腔内部压力的安全阀，而该安全阀的安全阀值可根据实际需要进行相应的调整。

为了便于观察保压腔内示踪粒子的混合情况，所以在所述罐体上设有用于观察保压腔内部情况的观察窗。

为了优化保压腔内示踪粒子能混合充分均匀，罐体和各导气管出气口吹出的气流角度有相应要求，所以所述导气管出气口的朝向与水平面呈0～60°夹角设置，导气管出气口的朝向与对应进气孔所在平面呈0～60°夹角设置。其中，对应进气孔指的是导气管所在的进气孔。通过各导气管出气口相互配合，及导气管出气口相对水平面的倾斜角，从而保证自导气管出气口吹出的各股气流能相互交叉，并在切入合并的过程中实现螺旋状的涡流形态，进而随各股气流运动的示踪粒子得到充分均匀的混合。

优选方案为，所述进气孔的数量为四个，导气管出气口的朝向与水平面呈30°夹角设置，导气管出气口的朝向与对应进气孔所在平面呈45°夹角设置。在该夹角的设置下，各股气流所能形成的涡流更强，能更好地实现示踪粒子充分均匀混合。

为了便于对罐体的清理，以及便于对罐体内添加示踪粒子，所述罐体由相互密封配合的罐本体和罐盖组成，所述进气孔位于罐本体上靠近底部的周壁处。

为了保证向保压腔内添加示踪粒子时更加简便，所以在所述保压投放装置还包括有粒子投放座，该粒子投放座包括有：定位架，卡设于进气孔处；粒子安置台，架设于支撑架上，且供示踪粒子放置用；支撑架，用于将粒子安置台支撑在定位架上。只需将示踪粒子放置于粒子安置台上，并将粒子投放座安装于进气孔处，然后通过空压机从进气孔向保压腔内充气，由此可满足对示踪粒子进行混合的同时，实现对保压腔内进行冲压。另外，通过粒子投放座进行示踪粒子的投放，可以无需打开罐体，最大程度上保证了不必要的操作和杂质进入保压腔，影响示踪粒子的纯度；示踪粒子可从一开始就随着气流从进气孔处进入保压腔，不仅解决了示踪粒子进入的位置，而且解决了示踪粒子安放的位置。另外，粒子安置台的优选位置是进气孔的中央位置，并通过支撑架固定。当气流从进气孔进入时，示踪粒子将在进气孔中央位置扩散开来，从而保证自导气管出气口处吹出的气流中所携带的示踪粒子更加均匀，使得混合的效果更均匀和充分。

为了保证粒子安置台上的示踪粒子能安放稳定，不会在安放过程中洒出来，所以所述粒子安置台为喇叭状，该粒子安置台上靠近大喇叭口的内壁处设有向下凹陷且用于放置示踪粒子的安置槽，该安置槽与粒子安置台内壁的连接部位为弧面过渡。示踪粒子放置于安置槽内时受到有效限位，轻微的晃动不会导致示踪粒子的洒落，而且安置槽与粒子安置台内壁的连接部位为弧面过渡，使得气流吹过时更加顺滑，可将位于安置槽内的示踪粒子全部吹走，不会有任何残留，避免保压腔内示踪粒子量的不足，及实验材料的浪费。其中，粒子安置台为喇叭状，气流从粒子安置台的大口处吹入，小口处吹出。在粒子安置台内的示踪粒子不仅受安置槽限位并安稳放置于粒子安置台内，而且还受内壁限位并随气流从小口处平稳吹出，因此，从导气管出气口处吹出的气流中，所携带的示踪粒子不会散开，提高混合的效率和充分性。安置槽位于大喇叭口的位置，是因为此处吹起的示踪粒子从小喇叭口处吹出前，能受粒子安置台内壁的限位而路径更加稳定，朝向也更加准确，这有助于气流携带示踪粒子充分均匀地混合。

本发明的有益效果是：初始状态下，进气孔和出气孔处的阀门均为关闭状态，当需要进行PIV实验时，只需往保压腔内加入示踪粒子，然后将进气孔连接上空压机的出气口并向保压腔内充气，打开进气孔处阀门，使得气流进入进气孔并从导气管出气口吹出，所吹出的气流将在保压腔内形成螺旋状涡流，而该涡流将搅动保压腔内的气体，使得示踪粒子在被搅动的气体下得到充分均匀的混合；而在示踪粒子混合的过程中，保压腔的压强也将不断增加，当保压腔内压力达到所需要求是关闭进气孔处阀门并撤去空压机；此时罐体内的示踪粒子不仅混合充分均匀，而且保压腔内的压力极大，只需将保压投放装置携带至PIV实验所在现场，在罐体出气孔处接上相应的出气管，并使出气管出气口位于被测流场内的合适位置，打开出气单向阀，凭借保压腔内的高压将混合充分均匀的示踪粒子从出气管出气口处排出。本保压投放装置主要在常规PIV实验中应用，不仅操作简单，而且结构小巧，随制随用，可在A地点制备完毕后，通过手提方式携带至B地点储存或实验用，从而解决空压机体积太大造成实验场地的浪费，以及空压机工作时所产生的噪音污染等问题。本发明中进气孔的优选数量为四个。另外，各导气管的出气口沿罐体周向且朝同一方向设置中，同一方向指同为顺时针或逆时针方向。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置操作方法，

1)将示踪粒子放置于粒子投放座的粒子安置台上，并将粒子投放座安装于进气孔处，初始状态下，进气单向阀和出气单向阀均处于关闭状态；

2)将罐体的进气孔与空压机的出气口相对接，打开进气孔处的进气单向阀，并通过空压机向保压腔内吹气；

3)在导气管的导引下，示踪粒子随着气流进入保压腔内，各导气管所导引的气流相互作用并在保压腔内形成螺旋状涡流，通过涡流将保压腔内的示踪粒子进行充分均匀的混合，同时通过空压机实现保压腔内部的增压；

4)当压力表显示的压力数值达到所需压力时，关闭进气单向阀，撤去空压机，并携带保压投放装置至PIV实验所在现场；

5)在罐体出气孔处接上相应的出气管，并将出气管出气口位于被测流场内的合适位置，打开出气单向阀，凭借保压腔内的高压将混合充分均匀的示踪粒子从出气管出气口处排出。

本发明的有益效果是：本保压投放装置为常规PIV实验用的，故不仅操作简单，而且结构小巧，随制随用，可在A地点制备完毕后，通过手提方式携带至B地点储存或实验用，从而解决空压机体积太大造成实验场地的浪费，以及空压机工作时所产生的噪音污染等问题。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图，导气管为透视部分，省略了进气单向阀和出气单向阀。

图2为本发明实施例一罐体和导气管装配的俯视图。

图3为本发明实施例一粒子投放座的结构示意图。

图4为本发明实施例一粒子安置台的结构示意图。

图5为本发明实施例二罐体内部的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

实施例一：如图1、2、3、4所示，本实施例包括带有保压腔2的罐体1，罐体1由相互密封配合的罐本体11和罐盖12组成，罐本体11和罐盖12的密封方式很多也属于常规技术，在此不做详细描述，罐体1底部设有支撑脚13。罐体1上设有进气孔14和出气孔15，进气孔14位于罐本体11的下部周壁上，其中进气孔14的数量为四个，各进气孔14沿罐体1周向均匀布置，任意两相邻进气孔14间相互四分之一圆周。在保压腔2的内壁上设有自进气孔14处延伸出的导气管3，各导气管3的出气口31沿罐体1周向且均为逆时针设置，因此从导气管3处吹出的气流能形成一个环绕罐体1中心点并相互配合的螺旋状涡流。在进气孔14处安装有只能向保压腔2内进气的进气单向阀；在出气孔15处安装有只能向保压腔2外出气的出气单向阀。当然，此处也可以采用普通的阀门，只要能对进气孔14和出气孔15实施密封操作即可。

当罐体1内保压腔2充气后，保压腔内2压力会大幅度增加，故在罐体1上设有用于监测保压腔2内部压力的气压表4，通过气压表4实时观察保压腔2内部的压力变化，特别是保压腔2内压力达到所需大小时，即可在第一时间结束对保压腔2内充压。有时候，因为一时的疏忽和大意，有可能导致保压腔2内压力超过安全值，所以在罐体1上还设有用于控制保压腔2内部压力的安全阀5，而该安全阀5的安全阀值可根据实际需要进行相应的调整。为了便于观察保压腔2内示踪粒子的混合情况，所以在罐体1上设有用于观察保压腔2内部情况的观察窗6，实验人员可直观地做出是否混合均匀的判断。为了优化保压腔2内示踪粒子能混合充分均匀，罐体1和各导气管3出气口31吹出的气流角度有相应要求，所以导气管3出气口31的朝向a与水平面b呈30°夹角设置，导气管3出气口31的朝向a与对应进气孔14所在平面c呈45°夹角设置。其中，对应进气孔14指的是导气管3所在的进气孔14。通过各导气管3出气口31相互配合，及导气管3出气口31与对应进气孔14所在平面c的倾斜角，从而保证自导气管3出气口31吹出的各股气流能相互交叉，并在切入合并的过程中实现螺旋状的涡流形态，进而随各股气流运动的示踪粒子得到充分均匀的混合。根据进气孔14数量的不同，导气管3出气口31的朝向也将进行相应的调整，从而保证自导气管3出气口31吹出的气流能产生最强大涡流，进而提高示踪粒子充分均匀混合的效率。当进气孔14和导气管3数量为三个时，导气管3出气口31的朝向a与水平面b呈60°夹角设置，导气管3出气口31的朝向与对应进气孔14所在平面c呈60°夹角设置。

其中，本发明还可以有其他实施例，改进点在于进气孔14数量和导气管3出气口31朝向a的设置不同。当进气孔14和导气管3数量为六个时，导气管3出气口31的朝向与水平面b呈60°夹角设置，导气管3出气口31的朝向a与对应进气孔14所在平面c呈30°夹角设置。其中规律为：导气管3的数量为X，该导气管3出气口31的朝向a和对应进气孔14所在平面c的夹角为Y，则X*Y的积为180°。

为了保证向保压腔2内添加示踪粒子时更加简便，所以本实施例还包括有用于预先安放示踪粒子的粒子投放座7，该粒子投放座7包括有定位架71、粒子安置台72和支撑架73，定位架71为圆形的骨架，定位架71的直径大小与进气孔14的直径相对应，因此定位架71可直接卡设于进气孔14处；在定位架71上还固定有一根用于支持粒子安置台72的支撑架73，而为了提高粒子安置台72的稳定性，支撑架73的数量可以为多根，并对称分布于粒子安置台72的周壁上；粒子安置台72用于示踪粒子的预安放，并通过支撑架73架设于定位架71上，该粒子安置台72为喇叭状，该粒子安置台72上靠近大喇叭口的内壁处设有向下凹陷且用于稳定放置示踪粒子的安置槽721，该安置槽721与粒子安置台72内壁的连接部位为弧面过渡。通过粒子投放座7方式进行示踪粒子的投放，可以无需打开罐体1，最大程度上保证了不必要的操作和杂质进入保压腔，影响示踪粒子的纯度；示踪粒子可从一开始就随着气流从进气孔处进入保压腔，不仅解决了示踪粒子进入的位置，而且解决了示踪粒子安放的位置。其中，粒子安置台72的优选位置是进气孔14的中央位置，因此当气流从进气孔14进入时，示踪粒子将在进气孔14中央位置扩散开来，从而保证自导气管3出气口31处吹出的气流所携带的示踪粒子布撒更加均匀。另外，示踪粒子放置于安置槽721内时可有相应的限位作用，轻微的晃动不会导致示踪粒子的洒落，而且安置槽721与粒子安置台72的内壁间为弧面连接，使得气流吹过时更加顺滑，可将位于安置槽721内的示踪粒子全部吹走，不会有任何残留，避免保压腔2内示踪粒子量的不足，及实验材料的浪费。

本发明中，初始状态下，进气孔14和出气孔15处的阀门均处于关闭状态，当需要进行PIV实验时，只需往保压腔2内加入示踪粒子，然后将进气孔14连接上空压机的出气口并向保压腔2内充气，打开进气孔14处阀门，使得气流进入进气孔14并从导气管3出气口31吹出，所吹出的气流将在保压腔2内形成螺旋状涡流，而该涡流将搅动保压腔2内的气体，使得示踪粒子在被搅动的气体下得到充分均匀的混合；而在示踪粒子混合的过程中，保压腔2的压强也将不断增加，当保压腔2内压力达到所需要求是关闭进气孔14处阀门并撤去空压机；此时罐体1内的示踪粒子不仅混合充分均匀，而且保压腔2内的压力极大，只需将保压投放装置携带至PIV实验所在现场，在罐体1出气孔15处接上相应的出气管，并使出气管出气口位于被测流场内的合适位置，打开出气单向阀，凭借保压腔2内的高压将混合充分均匀的示踪粒子从出气管出气口处排出。本保压投放装置在常规PIV实验中应用，不仅操作简单，而且结构小巧，随制随用，可在A地点制备完毕后，通过手提方式携带至B地点储存或实验用，从而解决空压机体积太大造成实验场地的浪费，以及空压机工作时所产生的噪音污染等问题。

实施例二：如图5所示，本实施例其他均与实施例一相同，唯一的区别是，不设置粒子投放座7，而是在罐体1中央位置安放一用于预放示踪粒子的粒子台81，在粒子台81的下部延伸出与罐体1内部固定的支脚82。通过各导气管3出气口31形成涡流后，该涡流会卷带起位于粒子台81上的示踪粒子，并通过涡流中进行充分混合。

本发明还涉及一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置操作方法：

1)将示踪粒子放置于粒子投放座7的粒子安置台72上，并将粒子投放座7安装于进气孔14处，初始状态下，进气单向阀和出气单向阀均处于关闭状态；

2)将罐体1的进气孔14与空压机的出气口相对接，打开进气孔14处的进气单向阀，并通过空压机向保压腔内吹气；

3)在导气管3的导引下，示踪粒子随着气流进入保压腔2内，各导气管3所导引的气流相互作用并在保压腔2内形成螺旋状涡流，通过涡流将保压腔2内的示踪粒子进行充分均匀的混合，同时通过空压机实现保压腔2内部的增压；

4)当压力表4显示的压力数值达到所需压力时，关闭进气单向阀，撤去空压机，并携带保压投放装置至PIV实验所在现场；

5)在罐体1出气孔15处接上相应的出气管，并将出气管出气口位于被测流场内的合适位置，打开出气单向阀，凭借保压腔2内的高压将混合充分均匀的示踪粒子从出气管出气口处排出。

本发明的保压投放装置主要应用在常规PIV实验中，其不仅操作简单，而且结构小巧，随制随用，可在A地点制备完毕后，通过手提方式携带至B地点储存或实验用，从而解决空压机体积太大造成实验场地的浪费，以及空压机工作时所产生的噪音污染等问题。

Claims (9)

1.一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，包括带有保压腔的罐体，罐体上设有进气孔和出气孔，其特征是：

所述进气孔至少有三个，各进气孔沿罐体周向均匀布置，各进气孔位于罐体下方；

所述保压腔内壁上设有自进气孔处延伸出的导气管，各导气管的出气口沿罐体周向且朝同一方向设置；

进气孔和出气孔处均设有阀门；

粒子投放座，该粒子投放座包括有：定位架，卡设于进气孔处；粒子安置台，架设于支撑架上，且供示踪粒子放置用；支撑架，用于将粒子安置台支撑在定位架上。

2.根据权利要求1所述的用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，其特征是，所述阀门包括有：

进气单向阀，安装于进气孔处且气流方向朝向保压腔内；

出气单向阀，安装于出气孔处且气流方向朝向罐体外。

3.根据权利要求1所述的用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，其特征是：所述罐体上设有用于监测保压腔内部压力的气压表。

4.根据权利要求1所述的用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，其特征是：所述罐体上设有用于控制保压腔内部压力的安全阀。

5.根据权利要求1所述的用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，其特征是：所述罐体上设有用于观察保压腔内部情况的观察窗。

6.根据权利要求1所述的用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，其特征是：所述导气管出气口的朝向与水平面呈0～60°夹角设置，导气管出气口的朝向与对应进气孔所在平面呈0～60°夹角设置。

7.根据权利要求6所述的用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，其特征是：所述进气孔的数量为四个，导气管出气口的朝向与水平面呈30°夹角设置，导气管出气口的朝向与对应进气孔所在平面呈45°夹角设置。

8.根据权利要求1所述的用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置，其特征是：所述粒子安置台为喇叭状，该粒子安置台上靠近大喇叭口的内壁处设有向下凹陷且用于放置示踪粒子的安置槽，该安置槽与粒子安置台内壁的连接部位为弧面过渡。

9.一种用于PIV实验示踪粒子的保压投放装置操作方法，其特征在于，根据权利要求1所述的保压投放装置，采用以下步骤：

1)将示踪粒子放置于粒子投放座的粒子安置台上，并将粒子投放座安装于进气孔处，初始状态下，进气单向阀和出气单向阀均处于关闭状态；

2)将罐体的进气孔与空压机的出气口相对接，打开进气孔处的进气单向阀，并通过空压机向保压腔内吹气；

3)在导气管的导引下，示踪粒子随着气流进入保压腔内，各导气管所导引的气流相互作用并在保压腔内形成螺旋状涡流，通过涡流将保压腔内的示踪粒子进行充分均匀的混合，同时通过空压机实现保压腔内部的增压；

4)当压力表显示的压力数值达到所需压力时，关闭进气单向阀，撤去空压机，并携带保压投放装置至PIV实验所在现场；

5)在罐体出气孔处接上相应的出气管，并将出气管出气口位于被测流场内的合适位置，打开出气单向阀，凭借保压腔内的高压将混合充分均匀的示踪粒子从出气管出气口处排出。