CN104458204A - 一种用于非稳态流动传热可视化研究的实验及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体力学、传热学领域，具体涉及的是一种用于非稳态流动传热可视化研究的实验及测量系统。一种用于非稳态流动传热可视化研究的实验及测量系统，本系统包括流动系统、激光光路系统、实验段和采集系统四个部分，其中流动系统包括带有排污管的水箱、离心泵、变频器、止回阀、液体流量计和温度计，其中离心泵位于水箱下方为流动提供动力，止回阀、流量计、温度计依次布置在离心泵的后方，对流体的流量、温度进行测量。本发明采用变频器与离心泵结合的方法，来模拟实际工业设备和系统中的脉动流，可以模拟任意一种实际中的非稳态流动工况，方便快捷，造价低廉。
Description
技术领域
本发明属于流体力学、传热学领域，具体涉及的是一种用于非稳态流动传热可视化研究的实验及测量系统。
背景技术
非稳态流动现象在热能工业设备及船舶动力装置中经常发生，而非稳态条件下工质的流动传热特性与稳态情况有很大不同，因此国内外许多学者对此做了大量的研究。对于非稳态条件下工质流动特性的研究一般采用分析流道内压降的方法，这种方法简单易行，但由于其测量原理的限值，研究中只能测得一些宏观的物理量。如张川(非稳态条件下平板通道内层流速度分布研究)在研究非稳态条件下平板通道内层流速度分布时就采用压降研究的方法，虽然通过该方法得到的实验结果与理论分析相一致，但是测量结果只能作为速度分布的间接验证，不能直接测得速度分布。对于非稳态条件下工质流动特性的研究一般采用热电偶测量温度的方法，这种方法成本较低且精度高，但是只能获取特定测点的温度，不能够获取整个流场的温度场。如李华(脉动流强化传热规律实验研究)在脉动流强化换热的研究中，为了获取流道进出口温度而设置了热电偶，虽然能够测量进出口的平均温度，但是不能够得到具体的温度分布。可以看出这些传统的测量方法对流动特性与传热特性的研究有一定的限制，因此新的速度场与温度场的测量技术陆续得到了发展。速度场与温度场可视化测量的测量技术已经得到了比较广泛的应用，但在非稳态流动领域仍缺乏相关实验系统，尤其是将非稳态流动的流动特性研究与传热特性研究同步进行的可视化实验系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现非稳态条件下温度场与速度场的同时测量，研究工况范围广，分析方法多，测量数据精度高，结果分析准确的用于非稳态流动传热可视化研究的实验及测量系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于非稳态流动传热可视化研究的实验及测量系统，本系统包括流动系统、激光光路系统、实验段和采集系统四个部分，其中流动系统包括带有排污管的水箱、离心泵、变频器、止回阀、液体流量计和温度计，其中离心泵位于水箱下方为流动提供动力，止回阀、流量计、温度计依次布置在离心泵的后方，对流体的流量、温度进行测量；激光光路系统中的主要设备有激光发射器、柱面镜，其中柱面镜位于激光发射器与实验段主体之间，将激光器发出的光束转换成片光；实验段部分包括实验段主体、ITO加热玻璃、热电偶以及差压变送器，其中ITO加热玻璃附着在实验段主体内部，为流体提供加热，压差变送器通过引压管接在实验主体两端，测量实验压差，热电偶位于实验段主体进口处，测量进口水温；采集系统部分包括电脑、数据采集板、光学透镜和高速摄影仪，其中光学透镜位于高速摄影仪之间，分离激光与荧光，利用高速摄影仪采集实验图像，数据采集板记录压差计、热电偶数据，电脑记录数据。
本发明的有益效果在于：(1)采用变频器与离心泵结合的方法，来模拟实际工业设备和系统中的脉动流，可以模拟任意一种实际中的非稳态流动工况，方便快捷，造价低廉；(2)本发明通过在流质中加入示踪粒子与激光染色剂，在激光的照射下利用PIV与PLIF技术能够实现速度场与温度场的同时测量；(3)本发明中，同时还采用了流量计、热电偶与压差计来测量实验数据，得到的实验数据可与可视化方法得到的速度场与温度场相对比，可以作为速度场与温度场的对照数据，提高实验数据的可信度；(4)本发明采用了ITO导电玻璃作为加热器，比起金属加热具有更好的可视化性能，能够最大限度的提升实验段的观测效果。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的非稳态流动生成系统示意图；
图3为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：
本发明是一种用于非稳态流动传热可视化研究的实验及测量系统，其特征是：本系统包括流动系统、激光光路系统、实验段和采集系统四个部分。其中流动系统中的主要设备包括带有排污管的水箱、离心泵、变频器、止回阀、液体流量计和温度计，其中离心泵位于水箱下方为流动提供动力，止回阀、流量计、温度计依次布置在离心泵的后方，对流体的流量、温度进行测量；激光光路系统中的主要设备有激光发射器、柱面镜，其中柱面镜位于激光发射器与实验段主体之间，将激光器发出的光束转换成片光；实验段部分主要包括实验段主体、ITO加热玻璃、热电偶以及差压变送器，其中ITO加热玻璃附着在实验段主体内部，为流体提供加热，压差变送器通过引压管接在实验主体两端，测量实验压差，热电偶位于实验段主体进口处，测量进口水温；采集系统部分主要包括电脑、数据采集板、光学透镜和高速摄影仪，其中光学透镜位于高速摄影仪之间，分离激光与荧光，利用高速摄影仪采集实验图像，数据采集板记录压差计、热电偶数据，电脑记录数据。
本发明还可以包括：
1、在流动系统中，采用变频器与离心泵结合的方法，来模拟实际工业设备和系统中的脉动流。
2、在实验工质中加入示踪粒子与激光染色剂，实现速度场与温度场的同时测量。
3、实验段的加热部件为ITO导电玻璃，不会影响到实验观测。
结合图1，本系统包括流动系统、激光光路系统、实验段和采集系统四个部分。其中流动系统中的主要设备包括带有排污管2的水箱1、离心泵3、变频器4、止回阀5、液体流量计6和温度计7，其中离心泵3位于水箱下方为流动提供动力，止回阀5、流量计6、温度计7依次布置在离心泵的后方，对流体的流量、温度进行测量；激光光路系统中的主要设备有激光发射器8、柱面镜9，其中柱面镜9位于激光发射器8与实验段主体10之间，将激光器发出的光束转换成片光；实验段部分主要包括实验段主体10、ITO加热玻璃11、热电偶12以及差压变送器13，其中ITO加热玻璃11附着在实验段主体10内部，为流体提供加热，压差变送器13通过引压管接在实验主体10两端，测量实验压差，热电偶12位于实验段主体10进口处，测量进口水温；采集系统部分主要包括电脑14、数据采集板15、光学透镜16和高速摄影仪17，其中光学透镜16位于高速摄影仪8之间，分离激光与荧光，利用高速摄影仪采集实验图像。储存在水箱1中加有示踪粒子与激光染色剂的工质被离心泵3抽送进实验回路，经过液体流量计6和温度计7后，在试验段10内被ITO加热玻璃11加热；与此同时，激光发射器8发射的光线经过柱面镜9之后在实验段主体10内形成激光平面。实验段主体10内的观测画面经过光学滤镜16之后被高速摄影仪17捕获，并通过数据采集板15将图像数据存于电脑14。
结合图2，在本发明中，采用离心泵3与变频器4结合的方法，来模拟实际工业设备和系统中的非稳态流动。在实验时，首先由电脑中的非稳态流动生成软件生成的波动信号传送给变频器4，然后变频器4就会按照所接受的波动信号控制离心泵3，而离心泵的流量与转速是成正比的，由此得到实验所需的非稳态流动。
结合图3，本发明中，液体流量计6、热电偶12和差压变送器13所测得的数据信号，均由数据采集板15采集，并同高速摄影仪17所拍摄的流动画面一起存入电脑14中待处理。
流动系统中的主要设备包括带有排污管的水箱、离心泵、止回阀、变频器、温度计和流量计，来模拟实际工业系统和设备中的非稳态流动。
激光光路系统中的主要设备有激光发射器、柱面镜，用于提供实验中的激光平面。
实验段部分主要包括实验段管道、ITO加热玻璃、热电偶以及差压变送器，是实验的主要观测部分。
采集系统部分主要包括电脑、数据采集板、光学透镜和高速摄影仪，用以采集记录实验图像数据。
Claims (1)
1.一种用于非稳态流动传热可视化研究的实验及测量系统，其特征是：本系统包括流动系统、激光光路系统、实验段和采集系统四个部分，其中流动系统包括带有排污管的水箱、离心泵、变频器、止回阀、液体流量计和温度计，其中离心泵位于水箱下方为流动提供动力，止回阀、流量计、温度计依次布置在离心泵的后方，对流体的流量、温度进行测量；激光光路系统中的主要设备有激光发射器、柱面镜，其中柱面镜位于激光发射器与实验段主体之间，将激光器发出的光束转换成片光；实验段部分包括实验段主体、ITO加热玻璃、热电偶以及差压变送器，其中ITO加热玻璃附着在实验段主体内部，为流体提供加热，压差变送器通过引压管接在实验主体两端，测量实验压差，热电偶位于实验段主体进口处，测量进口水温；采集系统部分包括电脑、数据采集板、光学透镜和高速摄影仪，其中光学透镜位于高速摄影仪之间，分离激光与荧光，利用高速摄影仪采集实验图像，数据采集板记录压差计、热电偶数据，电脑记录数据。
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