CN103940579A - 一种用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于两相流、气泡动力学领域，具体涉及一种用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统。一种用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统，括实验段驱动系统、供气系统、实验段和图像自动采集系统。本发明可以模拟多种横荡工况，操作方便、快捷，而且成本低廉。

Description

一种用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统

技术领域

本发明属于两相流、气泡动力学领域，具体涉及一种用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统。

背景技术

气泡行为广泛存在于船舶热能动力装置、船舶核动力装置中，会影响系统的流动、传热特性。在船舶的行驶过程中，气泡的行为还会受到海浪和船舶自身机动引起的横荡条件的影响。因此，对横荡条件下气泡的行为进行研究具有重要的工程意义。目前，国内外学者对气泡行为进行了大量的研究，但是，这些研究大多都是针对静止容器中的气泡行为，或摇摆条件下流动管道中的气泡行为。对静止容器中气泡行为进行的研究没有考虑横荡条件引起的附加惯性力；对摇摆条件下流动管道中气泡行为的研究受到流动的影响，而且流道的运动是横向运动与纵向运动的叠加，影响因素较复杂；都不能准确揭示横荡条件对气泡行为的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究工况范围广，图像采集精度高，结果分析准确，而且成本低廉，搭建方便，操作简单，的用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统，括实验段驱动系统、供气系统、实验段和图像自动采集系统，实验段驱动系统包括单轴运动控制器（1）、步进电机驱动器2、步进电机3、丝杆4、第一滑块5、第一导轨6和第一支架7；单轴运动控制器1将控制运动的速度、坐标信息传递给步进电机驱动器2，步进电机驱动器2根据速度、坐标参数决定向步进电机3的输出电压，控制步进电机3的转速和方向；丝杆4与步进电机3的轴通过螺栓连接固定在一起，丝杆4、第一导轨6均通过螺栓连接固定在第一支架7上；第一滑块5呈Ω型，与圆形截面的第一导轨6过盈配合在一起，每根导轨上有两块滑块；供气系统的包括气泵8、流量调节阀9、玻璃转子气体流量计10和止回阀11；气体从气泵8导出后先流经流量调节阀9，再流经玻璃转子气体流量计10和止回阀11，最后从气孔12进入水箱13；实验段部分包括带气孔12的水箱13；水箱13通过螺栓连接与丝杆4和第一滑块5固定在一起，全部重量由第一导轨6支撑；步进电机3带动丝杆4转动，丝杆4的转动带动水箱13沿第一导轨6水平运动；图像采集系统包括补光和摄像两个子系统，补光系统包括LED平面光源14，后者主要包括连杆15、第二滑块16、第二导轨17、第二支架18、计算机19和高速摄像机20；平面光源14与水箱13通过螺栓连接固定在一起，随着水箱13一起做水平方向的横荡运动，在运动过程中照明水箱；第二支架18与第一支架7尺寸相同，平行布置；第二滑块16呈Ω型，与圆形截面的第二导轨17过盈配合在一起，每根导轨上有两块滑块；高速摄像机20通过螺栓连接与第二滑块16固定在一起，第二连杆15两端分别与第一导轨6和第二导轨17焊接在一起，水箱13在水平方向的横荡运动通过第二连杆15传递给高速摄像机20，采集的图像存储在计算机19中。

本发明的有益效果在于：采用单轴运动控制器与步进电机驱动器、步进电机、丝杆、滑块、导轨结合的方法，来实现水箱特定规律的横荡运动。通过改变控制面板参数，就可以改变电动机和丝杆的转速，从而改变水箱横向运动的振幅和周期。采用这种方法，可以模拟多种横荡工况，操作方便、快捷，而且成本低廉；本发明中，在玻璃转子气体流量计下游、气孔下部安装有一个止回阀，防止水箱中的水向下流入管道而阻碍气体流动，特别是在低气流量工况的启动阶段，止回阀的作用尤其重要；本发明中，将一块LED平面光源与水箱固定在一起，实现LED平面光源与水箱同样规律的横荡运动，保持为高速摄像机补光的角度不变，方便图像的采集；本发明中，通过连杆、滑块与导轨带动高速摄像机，实现高速摄像机与水箱同样规律的横荡运动，保持采集图像的角度不变，方便后处理和分析。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的特定规律的横荡运动生成装置示意图；

图3为本发明的补光及摄像装置示意图。

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：

本发明是一种用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统，其特征是：本系统包括实验段驱动系统、供气系统、实验段和图像自动采集系统四个部分。实验段驱动系统的主要设备包括单轴运动控制器（1台）、步进电机驱动器（1台）、步进电机（1台）、丝杆（1根）、滑块（4块）、导轨（2根）和支架（1台）；供气系统的主要设备有气泵（1台）、流量调节阀（1个）、玻璃转子气体流量计（1个）和止回阀（1个）；实验段部分主要包括带气孔的水箱（1个）；图像采集系统包括补光和摄像两个子系统，前者主要包括LED平面光源（1块），后者主要包括连杆（2根）、滑块（4块）、导轨（2根）、支架（1台）、计算机（1台）和高速摄像机（1台）。

本发明还可以包括：

1、在实验段驱动系统中，采用单轴运动控制器与步进电机驱动器、步进电机、丝杆、滑块、导轨结合的方法，实现水箱特定规律的横荡运动。

2、在供气系统中，玻璃转子气体流量计下游、气孔下部安装有一个止回阀。

3、在图像自动采集系统中，通过将一块LED平面光源与水箱固定在一起，实现平面光源与水箱同样规律的横荡运动。

4、在图像自动采集系统中，通过连杆、滑块与导轨带动高速摄像机，实现高速摄像机与水箱同样规律的横荡运动。

结合图1，本系统包括实验段驱动系统、供气系统、实验段和图像自动采集系统四个部分。其中，实验段驱动系统主要包括单轴运动控制器1、步进电机驱动器2、步进电机3、丝杆4、滑块5、导轨6和支架7；单轴运动控制器1将控制运动的速度、坐标等信息传递给步进电机驱动器2，步进电机驱动器2根据速度、坐标等参数决定向步进电机3的输出电压，从而控制步进电机3的转速和方向；丝杆4与步进电机3的轴通过螺栓连接固定在一起，丝杆4、导轨6均通过螺栓连接固定在支架7上；滑块5呈Ω型，与圆形截面的导轨6过盈配合在一起，每根导轨上有两块滑块。供气系统的主要设备有气泵8、流量调节阀9、玻璃转子气体流量计10和止回阀11；气体从气泵8出来后先流经流量调节阀9，再流经玻璃转子气体流量计10和止回阀11，最后从气孔12进入水箱13。实验段部分主要包括带气孔12的水箱13；水箱13通过螺栓连接与丝杆4和滑块5固定在一起，全部重量由导轨6支撑；步进电机3带动丝杆4转动，丝杆4的转动带动水箱13沿导轨6水平运动。图像采集系统包括补光和摄像两个子系统，前者主要包括LED平面光源14，后者主要包括连杆15、滑块16、导轨17、支架18、计算机19和高速摄像机20；平面光源14与水箱13通过螺栓连接固定在一起，随着水箱13一起做水平方向的横荡运动，在运动过程中照明水箱；支架18与支架7尺寸相同，平行布置；滑块16呈Ω型，与圆形截面的导轨17过盈配合在一起，每根导轨上有两块滑块；高速摄像机20通过螺栓连接与滑块16固定在一起，连杆15两端分别与导轨6和导轨17焊接在一起，水箱13在水平方向的横荡运动通过连杆15传递给高速摄像机20，采集的图像存储在计算机19中。

结合图2，在本发明中，按照所要研究的横荡运动规律，在单轴运动控制器1中输入坐标与速度参数，步进电机驱动器2根据上述参数决定向步进电机3的供电电压，从而控制步进电机3和丝杆4的转动方向与转动速度，由此实现水箱13特定规律的横荡运动。

结合图3，在本发明中，LED平面光源14与水箱13固定在一起，与水箱13做同样规律的横荡运动，保证运动过程中照明效果均匀、稳定，便于图像采集；水箱13下部的滑块5与高速摄像机20下部的滑块16通过连杆15连在一起，使高速摄像机20与水箱13做同样规律的横荡运动，保证运动过程中采集图像的角度不变，便于后处理和分析。

Claims (1)

1.一种用于横荡条件下气泡行为研究的实验及图像自动采集系统，括实验段驱动系统、供气系统、实验段和图像自动采集系统，其特征在于：实验段驱动系统包括单轴运动控制器（1）、步进电机驱动器（2）、步进电机（3）、丝杆（4）、第一滑块（5）、第一导轨（6）和第一支架（7）；单轴运动控制器（1）将控制运动的速度、坐标信息传递给步进电机驱动器（2），步进电机驱动器（2）根据速度、坐标参数决定向步进电机（3）的输出电压，控制步进电机（3）的转速和方向；丝杆（4）与步进电机（3）的轴通过螺栓连接固定在一起，丝杆（4）、第一导轨（6）均通过螺栓连接固定在第一支架（7）上；第一滑块（5）呈Ω型，与圆形截面的第一导轨（6）过盈配合在一起，每根导轨上有两块滑块；供气系统的包括气泵（8）、流量调节阀（9）、玻璃转子气体流量计（10）和止回阀（11）；气体从气泵（8）导出后先流经流量调节阀（9），再流经玻璃转子气体流量计（10）和止回阀（11），最后从气孔（12）进入水箱（13）；实验段部分包括带气孔（12）的水箱（13）；水箱（13）通过螺栓连接与丝杆（4）和第一滑块（5）固定在一起，全部重量由第一导轨（6）支撑；步进电机（3）带动丝杆（4）转动，丝杆（4）的转动带动水箱（13）沿第一导轨（6）水平运动；图像采集系统包括补光和摄像两个子系统，补光系统包括LED平面光源（14），后者主要包括连杆（15）、第二滑块（16）、第二导轨（17）、第二支架（18）、计算机（19）和高速摄像机（20）；平面光源（14）与水箱（13）通过螺栓连接固定在一起，随着水箱（13）一起做水平方向的横荡运动，在运动过程中照明水箱；第二支架（18）与第一支架（7）尺寸相同，平行布置；第二滑块（16）呈Ω型，与圆形截面的第二导轨（17）过盈配合在一起，每根导轨上有两块滑块；高速摄像机（20）通过螺栓连接与第二滑块（16）固定在一起，第二连杆（15）两端分别与第一导轨（6）和第二导轨（17）焊接在一起，水箱（13）在水平方向的横荡运动通过第二连杆（15）传递给高速摄像机（20），采集的图像存储在计算机（19）中。