CN104569482A - 一种高速液体射流表面速度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高速液体射流表面速度的测量装置和方法，属于高速液体射流运动特性测绘技术领域，也属于高速液体射流喷射过程成像研究领域。本发明利用高速数码相机及微距镜头对高速液体射流表面特征结构进行捕捉，根据表面特征结构沿流向的运动规律计算高速液体射流表面速度。借助本方法的测量过程直观可信，后处理手段简单易行，尤其重要的是，测量结果直接来源于高速液体射流表面特征结构，因此所测得的高速液体射流表面速度相对更接近真实的高速液体射流表面速度。可以为高速液体射流初始扰动、破碎研究提供更加准确的定量信息。<b />

Description

一种高速液体射流表面速度测量装置和方法

技术领域

本发明是一种高速液体射流表面速度的测量装置和方法，属于高速液体射流运动特性测绘技术领域，也属于高速液体射流喷射过程成像研究领域。

背景技术

高速液体射流广泛应用于现代工业的各个领域，根据不同的应用，需要对高速液体射流进行适当的调控，而对其发展演变过程的充分了解是实现合理调控的前提；在高速液体射流表面初始扰动研究领域，高速液体射流的表面速度是其中一个非常重要的特征量，准确测得射流表面速度是研究界面扰动和还原其真实物理的前提；不少研究取表面速度等于射流平均速度，然而，理论分析和实验研究都表明：高速液体射流表面速度与射流平均速度存在显著差异，高速液体射流表面速度是流向距离的复杂函数。

高速液体射流离开喷嘴后，在多种力（如，惯性力、粘性力、表面张力、界面作用力等）的共同作用下，其界面会迅速发生剧烈变化，对这一部分射流段的表面速度进行测量变得非常困难，是学术界和工程界一直探索的问题之一，接触性的直接测量会严重干扰界面发展规律，显然不可行；容易想到的非接触式测量方法通常有两种，即PIV测量和PDA测量；PIV测量可以重构某一瞬时的整个射流流场，但对于高速液体射流表面速度的测量，PIV难以避免两个方面的缺陷，一是高速液体射流界面存在较大的速度梯度和加速运动，这会导致PIV测量中出现速度梯度误差和加速度误差；其次，PIV测量需要在液体中混掺示踪粒子，示踪粒子的跟随性、浓度、尺度等会直接影响测量结果的准确度，而高速液体射流边界层厚度极小，射流边界所能包含的示踪粒子数必然较少，这将直接影响测量结果的精度，再者，界面扰动本身是小尺度扰动发展的结果，示踪粒子的加入势必对要测量流场造成一定影响，是一个难以回避的问题，因而，对于射流表面速度的测量，PIV不是一个合适的选择；PDA测量通常也需要在流体中添加示踪粒子，当然也有学者利用射流破碎出的液滴充当示踪粒子，但在喷嘴出口附近的高速液体射流，其表面只有很少量或者没有液滴剥离，在没有足够液滴浓度的情况下，PDA的测量很难保证其测量的准确度和精度，也不是一个合适的测量高速液体射流表面速度的方法。

已授权专利《一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法》，申请号：CN201010153616.4提供了一种测量超高压水射流长度和半径的方法。但该方法所针对的是水切割机射流的测量，其射流直径小于1mm，射流速度大于200m/s，无法对射流表面速度进行测量。

发明内容

本发明公开了一种基于拍摄技术和图像后处理获得高速液体射流表面速度的方法；相对于技术背景中所提及的几种现有测量方法，本方法的测量过程直观可信，后处理手段简单易行，尤其重要的是，测量结果直接来源于高速液体射流表面特征结构，因此所测得的高速液体射流表面速度相对更接近真实的高速液体射流表面速度，可以为高速液体射流初始扰动、破碎研究提供更加准确的定量信息。

本发明的测量分为通过拍摄获得射流形态的图像和图像后处理两个部分。

拍摄所涉及的装置如附图1，包括：高速数码相机、微距镜头、高速数码相机手持显示器、光源和喷嘴；高速数码相机位于喷嘴的一侧，微距镜头连接在高速数码相机上，微距镜头和喷嘴之间的水平距离为微距镜头的最小焦距，高速数码相机的放置高度应使得喷嘴下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器的上缘中，使捕捉到的射流图像上同时包含射流和喷嘴，以便后处理中有可供参考长度；光源位于喷嘴的另一侧，与微距镜头在同一水平线。

进一步地，喷嘴正下方设有水槽，喷嘴出口下边缘距离水槽液面高度，以能够避免水槽溅射出的水对所要捕捉的射流造成影响为准，水槽的作用是缓解高速水射流的冲力。

进一步地，喷嘴固定在支架上，支架的作用为固定喷嘴位置。

进一步地，喷嘴和光源之间的距离以光源能照亮所要捕捉的视场为准。

进一步地，在喷嘴和光源之间放置扩散板，扩散板与光源在同一水平线，扩散板面积大于光源发光面积，扩散板的作用是获得均匀的面光源，减小测量误差。

进一步地，所述喷嘴是能产生高速水射流的喷嘴，喷嘴出口内径为1~5 mm；高速水射流是指速度为20~100m/s的水射流。

主要测量步骤为：

1、  测量喷嘴的外缘直径，得到其长度N (mm)，然后将喷嘴固定在支架上；喷嘴与水管相连，增压器与水管相连。

2、  在喷嘴正下方放置水槽，向水槽中注水，水位由水槽上的溢流孔控制；喷嘴出口下边缘距离水槽液面高度，以能够避免水槽溅射出的水对所要捕捉的射流造成影响为准。

3、  高速数码相机放置于喷嘴一侧，将显微镜头连接到高速数码相机上，根据微距镜头的最小焦距定位显微镜头和喷嘴之间的水平距离，然后调整高速数码相机的高度，使得喷嘴下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器的上缘中；光源放置于喷嘴另一侧，与微距镜头和喷嘴在同一水平线上；光源与喷嘴之间的距离以光源能照亮所要捕捉的视场为准；扩散板放置于喷嘴和光源之间，扩散板的面积大于光源发光面积。

4、  开启增压器，使射流开始进行喷射，设定将高速数码相机的曝光时间和帧频，打开光源，然后开始进行拍摄。

5、  将拍摄所得图像导入图像后处理软件中，在后处理软件中测量图像上喷嘴的外缘直径的像素长度值n (pixels)，再根据之前已测得的喷嘴的外缘直径的实际长度N (mm)，即可得到图像上单位像素长度所代表的实际长度k，也即实际长度与像素长度的比例系数；计算公式如下：

                                                                          mm/pixel                       (1)。

6、  测量连续的两张射流图片上同一特征结构在射流流动方向上移动的长度L，比上两张图片的时间间隔T，即获得这一特征结构在这一段流向距离的移动速度u，因为这一特征结构与射流边缘相连，因而u也是这一段流向距离射流的表面波速度；计算公式如下：

                                                                 (2)。

7、  重复步骤6的操作，得到多个表面波速度u₁，u₂，u₃…u_n，取它们的平均值即

得到射流表面波的平均速度  ；计算公式如下：

                                            (3)。

所述的后处理软件包括Image-pro plus和Matlab。

所述的同一特征结构包括与射流边缘相连的液带（ligament）或突起。

所述高速数码相机的曝光时间设为1 μs，帧频设为10000帧/s。

本发明使用简单易行的方法获得了高速液体射流表面速度的定量信息，方法相对于技术背景中提及的几种方法更方便易行，准确可靠，可操作性大大提高；相较于取射流表面速度等于射流核心速度或平均速度，使用这种测量方法获得的测量结果更接近真实的射流表面速度，可以为高速液体射流表面初始扰动研究提供更加可靠的定量的数据。

附图说明

图1是本发明的测量装置图。

图2是拍摄获得的射流图像。

图3是经过后处理后的射流图像。

图中，1，高速数码相机；2，微距镜头；3，高速数码相机手持显示器；4，光源；5，扩散板；6，喷嘴；7，支架；8，水槽；9，溢流孔。

具体实施方式

本发明的测量分为通过拍摄获得射流形态的图像和图像后处理两个部分。

拍摄所涉及的主要设备见附图1，主要装置包括：高速数码相机1、微距镜头2、高速数码相机手持显示器3、光源4和喷嘴6；水箱可采用的规格为0.5m×0.5m×0.5 m。

主要测量步骤为：

1、  测量喷嘴6的外缘直径，得到其长度为N(mm)，然后将喷嘴6固定在支架7上，将喷嘴6与水管相连，增压器与水管相连。

2、  在喷嘴6正下方放置水槽8，向水槽8中注水，水位由水槽8上的溢流孔9控制；喷嘴6出口下边缘距离水槽8液面高度，以能够避免水槽溅射出的水对所要捕捉的射流造成影响为准，这里设定高度为1 m。

3、  高速数码相机1放置于喷嘴6一侧，将显微镜头2连接到高速数码相机1上，根据显微镜头2的最小焦距定位显微镜头2和喷嘴6之间的水平距离，以“图丽100 mm F2.8 Macro D”为例，其最短摄影距离为0.3 m，由此，微距镜头2与喷嘴6中心轴水平距离设为0.3 m；然后调整高速数码相机1的高度，使得喷嘴6下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器3的上缘中；光源4放置于喷嘴6另一侧，与微距镜头2和喷嘴6在同一水平线上，光源4与喷嘴6之间的距离以光源4能照亮所要捕捉的视场为准，扩散板5放置于喷嘴6和光源4之间，扩散板5的面积大于光源发光面积。

4、  开启增压器，使射流开始进行喷射，将高速数码相机1的曝光时间设为1 μs，帧频设为10000帧/s，打开光源，然后开始进行拍摄。

5、  将拍摄所得图像导入图像后处理软件中，后处理软件可以选用Image-pro plus，Matlab等，在后处理软件中测量图像上喷嘴6的外缘直径的像素长度值为n( pixels)，再根据之前已测得的喷嘴6的外缘直径的实际长度N( mm)，即可得到图像上单位像素长度所代表的实际长度k(mm/pixel)，也即实际长度与像素长度的比例系数，计算公式如下：

                           mm/pixel                       (1)。

6、  测量连续的两张射流图像上同一特征结构（如，与射流边缘相连的液带（ligament）或突起）在射流流动方向上移动的长度L( mm)，比上两张图片的时间间隔T(ms)，即获得这一特征结构在这一段流向距离的移动速度也即射流的表面波速度u，计算公式如下：

                                                         (2)。

7、  重复6的操作，得到多个表面波速度u₁，u₂，u₃…u_n，取它们的平均值即得到

射流表面波的平均速度  ，计算公式如下：

                                           (3)。

8、  图2为实验捕捉的两幅连续射流图像，拍摄曝光时间设为1 μs，帧频设为

10000帧/s。

9、  图3为使用后处理软件Matlab进行处理的情况；图中喷嘴的外缘直径的像素

长度值n=290 pixels，实际长度值N=7 mm，计算出实际长度与像素长度的比例系数k=0.024 mm/pixel，测量得到射流图像上同一特征结构在射流流动方向上移动的长度L=2.76 mm，比上两张图片的时间间隔T=0.1 ms，即获得这一特征结构在这一段流向距离的移动速度也即射流的表面波速度为27.6 m/s。

Claims (10)

1.一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：所述装置包括高速数码相机、微距镜头、高速数码相机手持显示器、光源和喷嘴；高速数码相机位于喷嘴的一侧，微距镜头连接在高速数码相机上，微距镜头和喷嘴之间的水平距离为微距镜头的最小焦距，高速数码相机的放置高度应使得喷嘴下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器的上缘中，使捕捉到的射流图像上同时包含射流和喷嘴，以便后处理中有可供参考长度；光源位于喷嘴的另一侧，与微距镜头在同一水平线。

2.如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：喷嘴正下方设有水槽，喷嘴出口下边缘距离水槽液面高度，以能够避免水槽溅射出的水对所要捕捉的射流造成影响为准，水槽的作用是缓解高速水射流的冲力。

3.如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：喷嘴固定在支架上，支架的作用为固定喷嘴位置。

4.如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：喷嘴和光源之间的距离以光源能照亮所要捕捉的视场为准。

5.如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：在喷嘴和光源之间放置扩散板，扩散板与光源在同一水平线，扩散板面积大于光源发光面积，扩散板的作用是获得均匀的面光源，减小测量误差。

6.如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：所述喷嘴是能产生高速水射流的喷嘴，喷嘴出口内径为1~5 mm；高速水射流是指速度为20~100m/s的水射流。

7.采用如权利要求1所述的装置进行高速液体射流表面速度测量的方法，

其特征在于具体步骤如下：

（1）测量喷嘴的外缘直径，得到其长度N (mm)，然后将喷嘴固定在支架上；喷嘴与水管相连，增压器与水管相连；

（2）在喷嘴正下方放置水槽，向水槽中注水，水位由水槽上的溢流孔控制；喷嘴出口下边缘距离水槽液面高度，以能够避免水槽溅射出的水对所要捕捉的射流造成影响为准；

（3）高速数码相机放置于喷嘴一侧，将显微镜头连接到高速数码相机上，根据微距镜头的最小焦距定位显微镜头和喷嘴之间的水平距离，然后调整高速数码相机的高度，使得喷嘴下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器的上缘中；光源放置于喷嘴另一侧，与微距镜头和喷嘴在同一水平线上；光源与喷嘴之间的距离以光源能照亮所要捕捉的视场为准；扩散板放置于喷嘴和光源之间，扩散板的面积大于光源发光面积；

（4）开启增压器，使射流开始进行喷射，设定将高速数码相机的曝光时间和帧频，打开光源，然后开始进行拍摄；

（5）将拍摄所得图像导入图像后处理软件中，在后处理软件中测量图像上喷嘴的外缘直径的像素长度值n (pixels)，再根据之前已测得的喷嘴的外缘直径的实际长度N (mm)，即可得到图像上单位像素长度所代表的实际长度k，也即实际长度与像素长度的比例系数，计算公式如下：

                                                                           mm/pixel                       (1)；

（6）测量连续的两张射流图片上同一特征结构在射流流动方向上移动的长度L，比上两张图片的时间间隔T，即获得这一特征结构在这一段流向距离的移动速度u，因为这一特征结构与射流边缘相连，因而u也是这一段流向距离射流的表面波速度，计算公式如下：

                                                                 (2)；

（7）重复步骤6的操作，得到多个表面波速度u₁，u₂，u₃…u_n，取它们的平均值即得到射流表面波的平均速度  ；计算公式如下：

                                            (3)。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的后处理软件包括Image-pro plus和Matlab。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的同一特征结构包括与射流边缘相连的液带或突起。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述高速数码相机的曝光时间设为1 μs，帧频设为10000帧/s。