CN104535795B - 一种低压空间射流粒子图像测速实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压空间射流PIV测速实验装置，包括出水主管，所述出水主管的出水端设有喷头，所述出水主管上依次安装有第一流量计、第一阀门、第二阀门和压力表，所述第二阀门的两端分别连通有出水支管，所述出水支管与混合示踪粒子搅拌机相连；所述喷头的两侧分别设有可移式黑幕和摄影仪，所述摄影仪与计算机相连。本发明试验装置结构简单，用于对喷灌低压高扬程射流进行光学测速，并实现流体中示踪粒子的浓度可调性，拍摄区域可调性及拍摄位置准确性等优点。

Description

一种低压空间射流粒子图像测速实验装置

技术领域

本发明涉及一种低压空间射流粒子图像测速实验装置，适用于利用粒子图像测速技术进行液体测速技术领域。

背景技术

PIV（Particle Image Velocimetry）技术，即粒子图像测速技术，是光学测速技术的一种。相比较于以往的测速手段，它实现了对二维瞬态流场的测量。它能够提供瞬时整个流场的定量信息，具有极高的空间分辨率和很好的精度，同时还具有不干扰被测流场、动态响应快等优点。

空间自由射流流场的研究是一个古老的课题，它存在于多个工业领域，如燃油的雾化燃烧、燃料的雾化喷漆、农药的雾化喷洒等，以上射流均为高压短距喷洒。而在农业灌溉方面，喷灌射流为低压高扬程喷洒。自由射流是一种复杂的两相流动，相比较于高压下射流的直接雾化，喷灌低压射流喷洒时发生射流破碎、水滴形成和运动，射流特性尤为复杂，其喷洒状态直接影响到水流对作物的打击强度、蒸发及灌水效率，因此必须对低压射流进行空间水流的测速。中国专利第CN202926660U号公布了一种“一种用于离心泵PIV相机测准及调节装置”，它主要针对PIV相机测准及调节装置进行改进，但它的改进条件是基于离心泵的内流场测试。其中模型泵属于封闭部件，带有示踪粒子的流体直接在泵内部流动，因此测试时可直接在模型泵表面设有标定尺。该装置结构简单，拍摄准确度高。但该结构适用于封闭式模型内部测试，对于远程空间射流测试时，无法精准的设定标定尺。中国专利第CN203824731U号公布了一种“一种小尺寸PIV流场测试实验中示踪粒子布撒装置”，通过储液罐、供气气源、稳压罐、加压气源和视盅来持续稳定的产生示踪粒子，粒径可调，粒子质量好。但是它是针对小尺寸流场测试，且未实现示踪粒子浓度的可调性。因此，针对上述不足，本专利公开了一种适合农业喷灌的低压高扬程射流非接触测速的试验装置，满足了观测区域可变、示踪粒子浓度可调的条件。

发明内容

本发明的目的在于利用粒子图像测速技术测量时，解决由于低压空间射流射程太远，不能利用相机拍摄射流全部喷射射程的技术问题，同时避免因示踪粒子浓度不均而不能进行光学测速的技术问题，为研究低压射流的空间破碎、水滴形成和喷头喷洒均匀性研究提供实验数据支撑。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种低压空间射流粒子图像测速实验装置，包括出水主管，所述出水主管的出水端设有喷头，所述出水主管上依次安装有第一流量计、第一阀门、第二阀门和压力表，所述第二阀门的两端分别连通有出水支管，所述出水支管与混合示踪粒子搅拌机相连；所述喷头的两侧分别设有可移式黑幕和摄影仪，所述摄影仪与计算机相连。

上述方案中，所述混合示踪粒子搅拌机上安装有进水支管，所述进水支管上依次安装有第三阀门和第二流量计，所述进水支管和所述第二阀门的两端的出水支管通过文丘里管连通。

上述方案中，所述喷头的下端安装有回水槽，所述回水槽末端通过回水管与水箱连通。

上述方案中，所述回水槽的槽壁上安装有标尺。

优选的，所述回水槽通过第一支架固定在地面上。

优选的，所述摄影仪通过第二支架支撑在地面上。

优选的，所述摄影仪也可以通过可移动小车支撑在地面上。

本发明的使用方法：将混合示踪粒子搅拌机中一定浓度的混有示踪粒子的水与进水主管中的清水在管路中混合，得到一定浓度的带有示踪粒子的水进行试验。通过第二阀门调节出水支管两端压差将带有示踪粒子水吸入主管路，并通过调节第三阀门的开度来调节吸上水量从而调节示踪粒子浓度。通过进水主管上的第一阀门控制喷头的射流流量和压力。由于射流整体区域拍摄的困难，将根据摄影仪的最佳拍摄范围确定与射流的最佳垂直距离，通过水平方向调节可移式黑幕和水平方向移动支架（或可移式小车）调节摄影仪位置，以实现对射流不同拍摄区域进行拍摄，水平移动距离可参照标尺刻度，移动距离大小由每段射流流速梯度的连接性确定，喷头射出的水流通过回水槽回收到水箱。

本发明的有益效果：本发明试验装置结构简单，用于对喷灌低压高扬程射流进行光学测速，并实现流体中示踪粒子的浓度可调性，拍摄区域可调性及拍摄位置准确性等优点。

附图说明：

图1为低压空间射流粒子图像测速试验装置主视图。

图2为图1中的A向示意图。

图中，1.进水主管，2.水泵，3.出水主管，4.第一流量计，5.第一阀门，6.三通，7.第二阀门，8.混合示踪粒子搅拌机，9.第一支架，10.回水槽，11.压力表，12.标尺，13.喷头，14.可移式黑幕，15.摄影仪，16.第二支架，17.计算机，18.回水管，19.水箱，20.进水支管，21.第三阀门，22.第二流量计，23.文丘里管，24.出水支管。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例中的低压空间射流粒子图像测速实验装置，主要包括供水回路、示踪粒子调节回路以及便移式粒子图像测速装置。供水回路包括水泵2、清水出水主管3、第一阀门5、第二阀门7、第一流量计4、压力表11和喷头13；水泵2上装有进水主管1和出水主管3，出水主管路3水平方向上设有第一流量计4、第一阀门5和第二阀门7，垂直方向上设有压力表11和喷头13。

示踪粒子调节回路包括进水支管20、出水支管24、文丘里管23、第三阀门21、第二流量计22和混合示踪粒子搅拌机8；混合示踪粒子搅拌机8与进水支管20相连，进水支管20上设有第三阀门21和第二流量计22，文丘里管23与进水支管20和出水支管24相连接，出水支管24通过三通6连接在第二阀门7的两侧。

便移式粒子图像测速装置包括可移式黑幕14、回水槽10、标尺12、摄影仪15和计算机17；回水槽10放置于喷头13下方，由第一支架9支撑，回水槽10的槽壁上水平安装有标尺12，可移式黑幕14和摄影仪15分别放置于喷头13的两侧，安放位置与标尺12对齐，摄影仪15由第二支架16或者可移动小车支撑，回水槽10与回水管18连接，同时回水管18连接入水箱19。

低压空间射流粒子图像测速实验装置工作过程为：首先开启水泵2，打开第一阀门5和第二阀门7，关闭第三阀门21，清水进入主管路并通过喷头13喷出。在混合示踪粒子搅拌机8中将示踪粒子混合均匀，打开第三阀门21将混有示踪粒子液体由进水支管20和出水支管24进入出水主管3，示踪粒子液体在主管路3中和清水混合均匀再由喷头13喷出。通过调节第二阀门7的开度调节出水主管3的射流流量和压力，以及控制示踪粒子液体的吸上量，其中示踪粒子液体的吸上流量值和主管路射流流量分别由第二流量计22和第一流量计4读出，示踪粒子的浓度将由示踪粒子液体的吸上量与主管清水流量的比值确定。

本实施例中，出水主管3的射流压力工作范围为0.2MPa~0.4MPa，优选地，当射流工作压力为0.2MPa时，喷头13的出口流速为17m/s。随着射流水平距离的增大，射流流速呈梯度减小，实验中参照标尺12刻度水平调节摄影仪15和可移式黑幕14的位置进行分段区域拍摄测速，为了和射流流速梯度的衔接性对应，需要不断调整摄影仪15的水平移动距离，本实施例中，第一段拍摄流速梯度为17m/s ~15 m/s时，摄影仪拍摄范围为0~30cm；进行第二段拍摄时，通过调整摄影仪的水平距离，最终水平移动摄影仪30cm时，得到第二段拍摄流速梯度为15m/s ~13 m/s，以此类推进行后续几段射流流速的测量。最终，喷射于空间的流体经过回水槽10由回水管18流回水箱19。

Claims (5)

1.一种低压空间射流粒子图像测速实验装置，包括出水主管（3），所述出水主管（3）的出水端设有喷头（13），其特征在于，所述出水主管（3）上依次安装有第一流量计（4）、第一阀门（5）、第二阀门（7）和压力表（11），所述第二阀门（7）的两端分别连通有出水支管（24），所述出水支管（24）与混合示踪粒子搅拌机（8）相连；所述喷头（13）的两侧分别设有可移式黑幕（14）和摄影仪（15），所述摄影仪（15）与计算机（17）相连；所述混合示踪粒子搅拌机（8）上安装有进水支管（20），所述进水支管（20）上依次安装有第三阀门（21）和第二流量计（22），所述进水支管（20）和所述第二阀门（7）的两端的出水支管（24）通过文丘里管（23）连通；所述喷头（13）的下端安装有回水槽（10），所述回水槽（10）末端通过回水管（18）与水箱（19）连通。

2.根据权利要求1所述的一种低压空间射流粒子图像测速实验装置，其特征在于，所述回水槽（10）的槽壁上安装有标尺（12）。

3.根据权利要求2所述的一种低压空间射流粒子图像测速实验装置，其特征在于，所述回水槽（10）通过第一支架（9）固定在地面上。

4.根据权利要求1所述的一种低压空间射流粒子图像测速实验装置，其特征在于，所述摄影仪（15）通过第二支架（16）支撑在地面上。

5.根据权利要求1所述的一种低压空间射流粒子图像测速实验装置，其特征在于，所述摄影仪（15）通过可移动小车支撑在地面上。