CN105890870B - 一种汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台 - Google Patents

Abstract

一种汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台，包括机械传动与控制子系统、流体输送与控制子系统、旋涡抽吸过程实时追踪子系统与实验台流程控制子系统；机械传动与控制子系统，用于实现旋涡形成周向速度分量的供给与调控；流体输送与控制子系统，用于实现汇流旋涡抽吸形成机理观测实验过程中的流体输送、进出流控制和溢流控制；旋涡抽吸过程实时追踪子系统，用于实现汇流旋涡形成抽吸过程的实时图像数据采集、预处理和后处理；实验台流程控制子系统为控制中心，用于接收其它三个子系统上传的实时数据，进行判断与处理后，向相应的子系统输出执行指令，完成整个实验流程的操控。本发明能够面向汇流旋涡抽吸形成机理观测、实用性较好。

Description

一种汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台

技术领域

本发明涉及工程流体过程检测与控制领域，尤其是涉及面向一种汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台。

背景技术

研究汇流旋涡抽吸演化机理在冶金容器(转炉、钢包、中间包)浇注、化工萃取分离、水利工程状态监控等工业领域具有重要实际意义。上述工业实例共同之处为：流体一般为两(多)相流，容器为薄壁管壳结果；排流后期形成的两相旋涡抽吸过程使得表层相流体破裂，并通过旋涡中心进入排流通道，具有高度非线性动力学特性；由于上层流体的混入，会给工业生产带来诸多不利影响；例如，钢包浇注旋涡卷渣会严重影响钢水纯洁度与钢材质量，甚至使连铸生产停滞，从而造成生产事故及重大经济损失。因此，研究两相汇流旋涡抽吸动力学特性，实现对旋涡抽吸过程的主动控制，具有重要的科研价值与工程应用前景。

汇流旋涡虽然是常见的自然现象，但却是一个复杂的湍流力学问题。目前尚没有成熟理论模型对其成因、运动规律进行精确的定量分析，只能在某种理想假设下或结合试验研究，得到其有限的局部特征。汇流旋涡形成并进入贯穿状态后，容器内的表层相流体将受到旋涡的抽吸作用而进入排流口。相关学者利用水模型实验方法研究表明，在旋涡抽吸过程中，两相流体由于物理性质不同，在进入排流口过程中并不同步。上述过程的关键问题在于：两相界面的粘滞摩擦作用使得其在旋涡抽吸过程中的运动规律呈现非线性特征。

显然，搭建面向汇流旋涡形成机理的观测实验平台是研究汇流旋涡形成各临界过程流场特性与演化过程的有效手段。通过本领域的相关技术调研发现，当前国内外尚未有面向汇流旋涡抽吸形成机理观测实验装置及相关实现方法。因此，提出一种汇流旋涡抽吸形成机理观测实验装置是非常有必要的。

发明内容

为了克服已有观测实验平台无法面向汇流旋涡形成机理的不足，本发明提供一种能够面向汇流旋涡抽吸形成机理观测、实用性较好的汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台，所述实验平台是面向汇流旋涡形成抽吸过程观测的机-电-液一体化系统，包括机械传动与控制子系统、流体输送与控制子系统、旋涡抽吸过程实时追踪子系统与实验台流程控制子系统；

所述的机械传动与控制子系统包含实体机械支撑框架与工作执行部分，用于实现旋涡形成周向速度分量的供给与调控；

所述的流体输送与控制子系统，用于实现汇流旋涡抽吸形成机理观测实验过程中的流体输送、进出流控制和溢流控制；

所述的旋涡抽吸过程实时追踪子系统，用于实现汇流旋涡形成抽吸过程的实时图像数据采集、预处理和后处理；

所述的实验台流程控制子系统为控制中心，用于接收其它三个子系统上传的实时数据，进行判断与处理后，向相应的子系统输出执行指令，完成整个实验流程的操控。

进一步，所述机械传动与控制子系统包括实体支撑模块、流体容器模块、动力驱动模块与机械传动模块；

所述的实体支撑模块由角钢结构件与铝合金功能件组成；所述的角钢结构件通过焊接工艺组合，实现实验平台的承重与支撑；所述的铝合金结构件通过螺纹紧固与铰接方式安装在角钢结构件上，实现对实验平台各个功能模块的固定、挂接和连接；

所述的流体容器模块由圆柱体容器、排流管、溢流管与长方体容器组成；所述的圆柱体容器由透明的有机玻璃材料粘接而成，通过螺纹连接方式安装在实体支撑模块上，其主体用于盛放实验流体；所述的圆柱体容器两侧分别标有容积刻度与高度刻度，用以标识排流过程中的容积变化与液面高度变化；所述的排流管通过管螺纹连接，安装在圆柱体容器底部，实现实验流体的排放过程；所述的溢流管通过管螺纹连接，安装在圆柱体容器的上端，实现实验注流过程中的溢流保护；所述的溢流管外端与聚氯乙烯软管连接，最后接入长方体容器；所述的长方体容器由聚氯乙烯硬质材料粘接而成，位于排流管的正下方，用以盛放排出或溢流的实验流体；

所述的动力驱动模块包含步进电机及其调速控制装置；所述的步进电机为圆柱体旋转提供动力；所述的调速控制装置接收实验台流程控制子系统发出的控制指令，根据指令要求，将步进电机调至预定速度；所述的调速控制装置采用空间矢量脉宽调制与在线反馈控制相结合的方法，实现在实验过程中对步进电机的赫兹级调速，从而为抽吸物理过程的重复观察提供可靠条件；

所述的机械传动模块由第一弹性联轴器、主动轴、中间轴、从动轴、第二弹性联轴器组成；所述的第一弹性联轴器一端与步进电机主轴相连，一端与主动轴相连；所述的主动轴、中间轴与从动轴分别通过半圆键与主动齿轮、中间轴一级/二级齿轮、从动齿轮相连；所述的主动齿轮与中间轴一级齿轮相啮合，中间轴一级/二级齿轮共轴，中间轴二级齿轮与从动轴齿轮相啮合；所述的第二弹性联轴器一端与从动轴相连，另一端与圆柱体容器下端相连接，实现步进电机稳定对圆柱体容器施加周向速度。

再进一步，所述的流体输送与控制子系统包括循环注流模块、溢流控制模块与排流控制模块；

所述的循环注流模块由微型潜水泵、聚氯乙烯软管、注流调节装置组成；所述的微型潜水泵安装在长方体容器底部，通过聚氯乙烯软管向圆柱体容器注入实验流体；所述的注流调节装置安装在圆柱体容器的上端，通过流量阀调整注入圆柱体容器的流量，通过注流端口调节注入圆柱体容器的流体方向：径向、周向、轴向；

所述的溢流控制模块由液面传感器与溢流电磁阀组成；所述的液面传感器感知圆柱体容器内的液面极限高度，若液面达到高度阈值，则向实验台流程控制子系统发送提示信号；所述的溢流电磁阀安装在溢流管前端，根据所接收的实验台流程控制子系统的控制指令，完成溢流通道的开启与关闭；

所述的排流控制模块为可调式电磁阀；所述的可调式电磁阀通过信号线与实验台流程控制子系统相连，安装在圆柱体容器与排流管结合部；根据来自实验台流程控制子系统发送的控制指令，提供排流流量控制档位。

更进一步，所述旋涡抽吸过程实时追踪子系统，用于通过粒子图像测速系统实时观测汇流旋涡形成及其Ekman边界层的抽吸过程演化过程；所述的粒子图像测速系统包含无影光源、双目内窥镜、高频激光发射器和粒子图像处理模块；

所述的无影光源为全弧面点阵LED灯，实现实验过程照明、补光灯功能，且解决实验过程中的气液两相界面反光问题；所述的双目内窥镜呈90度夹角安装在透明圆柱体容器的两侧，实现对容器内部旋涡流场三维图像细节特征的精确采集；所述的高频激光发射器可发射高频激光束，进而产生超快过程，捕捉Ekman边界层临界状态的演化特征与转化细节信息；所述的粒子图像处理模块对采集到的旋涡流场三维图像细节特征数据与Ekman边界层临界状态数据进行滤波、对接、融合、重构等处理，得到连续的多帧旋涡形成Ekman层抽吸演化过程图像，作为实验规律分析的基础元数据。

所述的实验台流程控制子系统，包含信号采集与调理模块、数据存储分析与指令发送模块、粒子图像测速后处理模块，其中，

所述的信号采集与调理模块，用于通过传感器采集实验平台各关键功能位置的快变信号与缓变信号，并通过卡尔曼滤波的方法剔除所采集数据中的异常干扰信号；所述的快变信号为旋涡流场三维图像细节特征数据与Ekman边界层临界状态演变数据；所述的缓变信号为步进电机转速信号、双目内窥镜开关量信号、高频激光发射器开关量信号、无影光源开关量信号、溢流管道开关量信号与排流管道开度信号；

所述的数据存储分析与指令发送模块，用于接收信号采集与调理模块上传的实验平台快变信号与缓变信号，开辟动态缓存区域进行存储与数据管理，进行判断分析后，根据实验平台控制功能需求，向实验平台各功能构件(微型潜水泵、溢流开关、排流电磁阀、步进电机、无影光源、双目内窥镜、高频激光发射器、粒子图像处理模块)发送控制指令；所述的动态缓存区分为两个子区域，分别存储快变信号与缓变信号，根据当前实验要求所确定的分辨率、采样频率确定内存空间，并进行溢出覆盖处理与数据空间交换；

所述的粒子图像测速后处理模块，用于接收信号采集与调理模块上传的连续多帧旋涡形成Ekman层抽吸演化过程图像进行半色调处理、连续痕迹重构与局部湍动能分布计算，进而得到圆柱体容器内旋涡流场的速度矢量分布与涡量分布。

本发明的有益效果主要表现在：机-电-液一体化控制实验观测系统，可提供更加高效、柔性的实验观测实现规程与方案；可以直接观察、测量流体的基本参数，把模型观察的结果定性或定量地转化为实际流动现象，为冶金过程控制、水利排灌、化工萃取、食品分离等工业实例的设计以及生产工艺优化提供依据；不受数学方程形式以及边界条件的限制，可以在其能够提供的物理空间内自由的对相关问题进行研究。

附图说明

图1是系统功能构架图；

图2是实验台组成结构示意图；其中，1-控制系统(工业PC机)2-高频激光发射器3-粒子图像测速系统4-双目内窥镜5-圆柱体容器6-注流调节装置7-溢流管8-聚氯乙烯软管9-角钢支架10-微型潜水泵11-长方体容器12-排流管(排流阀)13-传动装置14-步进电机；

图3是机械传动关系示意图；其中，1-步进电机2-弹性联轴器33-主动轴齿轮4-中间轴一级齿轮5-中间轴二级齿轮6-从动轴齿轮7-弹性联轴器8-圆柱体容器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台，为面向汇流旋涡形成抽吸过程观测的机-电-液一体化实验系统，由机械传动与控制子系统、流体输送与控制子系统、旋涡抽吸过程实时追踪子系统与实验台流程控制子系统组成，其系统功能框架如附图1所示。

上述功能框架中，机械传动与控制子系统主要包含本发明的实体机械支撑框架与工作执行部分，实现旋涡形成周向速度分量的供给与调控。流体输送与控制子系统实现汇流旋涡抽吸形成机理观测实验过程中的流体输送、进出流控制、溢流控制等功能。旋涡抽吸过程实时追踪子系统为本发明的实时观测部分，实现汇流旋涡形成抽吸过程的实时图像数据采集、预处理、后处理等功能。实验台流程控制子系统为本发明的控制中心，接收其它三个子系统上传的实时数据，进行判断与处理后，向相应的子系统输出执行指令，完成整个实验流程的操控。

本发明所涉及的机械传动与控制子系统，由实体支撑模块、流体容器模块、动力驱动模块与机械传动模块组成，如附图1所示。机械传动与控制子系统所包含各功能模块的具体技术细节如下：

①实体支撑模块由角钢结构件与铝合金功能件组成，如附图2所示。角钢结构件通过焊接工艺组合，实现实验平台的承重与支撑。本实验台由于需要容纳一定量的实验流体，因此，上述框架的承重量应在300kg以上。铝合金结构件采用表面氧化防锈处理的硬铝材料，通过螺纹紧固与铰接方式安装在角钢结构件上，实现对实验平台各个功能模块的固定、挂接、连接等功能。

②流体容器模块由圆柱体容器、排流管、溢流管与长方体容器组成，如附图2所示。圆柱体容器由透明的有机玻璃材料粘接而成，通过螺纹连接方式安装在实体支撑模块上，其主体用于盛放实验流体，包含各种有机溶剂、无机溶剂及相应的辅助示踪材料。圆柱体容器两侧分别标有容积刻度与高度刻度，用以标识排流过程中的容积变化与液面高度变化。排流管通过管螺纹连接，安装在圆柱体容器底部，实现实验流体的排放过程。溢流管通过管螺纹连接，安装在圆柱体容器的上端，实现实验注流过程中的溢流保护，即当容器内流体超过极限高度时，由溢流管导出，并流入长方体容器，保证实验过程的安全性。溢流管外端与聚氯乙烯软管连接，最后接入长方体容器。长方体容器由聚氯乙烯硬质材料粘接而成，科容纳实验流体1000kg以上，位于排流管的正下方，用以盛放排出或溢流的实验流体。

③动力驱动模块包含步进电机及其调速控制装置，如附图2所示。步进电机为圆柱体旋转提供动力，即汇流旋涡形成的周向速度分量，为影响旋涡形成后规模的重要因素。调速控制装置接收实验台流程控制子系统发出的控制指令，根据指令要求，将步进电机调至预定速度。由于本发明所需要的调速范围要求较高，因此，调速控制装置采用空间矢量脉宽调制与在线反馈控制相结合的方法，实现在实验过程中对步进电机的赫兹级调速，其调速精度可达到0.5Hz，从而为抽吸物理过程的重复观察提供可靠条件。

④机械传动模块由弹性联轴器A、主动轴、中间轴、从动轴、弹性联轴器B组成，如附图3所示。弹性联轴器A一端与步进电机主轴相连，一端与主动轴相连。主动轴、中间轴与从动轴分别通过半圆键与主动齿轮、中间轴一级/二级齿轮、从动齿轮相连。主动齿轮与中间轴一级齿轮相啮合，中间轴一级/二级齿轮共轴，中间轴二级齿轮与从动轴齿轮相啮合。主动齿轮、中间轴一级/二级齿轮、从动齿轮的齿数之比为1:3:1:3，传动比为9：1。弹性联轴器B一端与从动轴相连，另一端与圆柱体容器下端相连接，实现步进电机稳定对圆柱体容器施加周向速度。

本发明所涉及的流体输送与控制子系统，由循环注流模块、溢流控制模块与排流控制模块组成，如附图1所示。流体输送与控制子系统所包含各功能模块的具体技术细节如下：

①循环注流模块由微型潜水泵、聚氯乙烯软管、注流调节装置组成，实现对圆柱体容器的稳定注流，从而保证每次排流过程都保持接近的初始流场条件。微型潜水泵安装在长方体容器底部，其扬程要求在1.5m以上，通过聚氯乙烯软管向圆柱体容器注入实验流体。注流调节装置安装在圆柱体容器的上端，通过流量阀调整注入圆柱体容器的流量，通过注流端口调节注入圆柱体容器的流体方向：径向、周向、轴向，产生不同的流场初始条件，对旋涡形成的规模与存在过程进行对比分析。

②溢流控制模块由液面传感器与溢流电磁阀组成，实现实验过程中的溢流保护功能。液面传感器感知圆柱体容器内的液面极限高度，若液面达到高度阈值，则向实验台流程控制子系统发送提示信号，提示控制系统开启溢流阀。溢流电磁阀安装在溢流管前端，为常闭工作状态，根据所接收的实验台流程控制子系统的控制指令，完成溢流通道的开启与关闭。

③排流控制模块为可调式电磁阀，通过信号线与实验台流程控制子系统相连，安装在圆柱体容器与排流管结合部，可根据来自实验台流程控制子系统发送的控制指令，提供10个排流流量控制档位：1.0m³/h、1.5m³/h、2.0m³/h、2.5m³/h、3.0m³/h、3.5m³/h、4.0m³/h、4.5m³/h、5.0m³/h、5.5m³/h。

本发明所涉及的旋涡抽吸过程实时追踪子系统，通过粒子图像测速系统实时观测汇流旋涡形成及其Ekman边界层的抽吸过程演化过程。上述粒子图像测速系统包含无影光源、双目内窥镜、高频激光发射器、粒子图像处理模块，具体技术细节如下：

①无影光源为全弧面点阵LED灯，实现实验过程照明、补光灯功能，且解决实验过程中的气液两相界面反光问题，避免图像实时采集过程出现数据失真。

②双目内窥镜，可提供300倍的放大倍数，呈90度夹角安装在透明圆柱体容器的两侧，实现对容器内部旋涡流场三维图像细节特征的精确采集。

③高频激光发射器可发射太赫兹级高频激光束，进而产生超快过程，捕捉Ekman边界层临界状态的演化特征与转化细节信息。

④粒子图像处理模块对采集到的旋涡流场三维图像细节特征数据与Ekman边界层临界状态数据进行滤波、对接、融合、重构等处理，得到连续的多帧旋涡形成Ekman层抽吸演化过程图像，作为实验规律分析的基础元数据。

本发明所涉及的实验台流程控制子系统，其实体为汇流旋涡抽吸形成机理观测实验的系统控制软件。该软件运行于工业级PC机平台，主要包含信号采集与调理模块、数据存储分析与指令发送模块、粒子图像测速后处理模块，具体技术细节信息如下：

①信号采集与调理模块通过相应传感器，如内窥摄像头、液位传感器、光栅传感器等采集实验平台各关键功能位置的快变信号与缓变信号，并通过卡尔曼滤波的方法剔除所采集数据中的异常干扰信号。上述处理过程所涉及的快变信号为旋涡流场三维图像细节特征数据与Ekman边界层临界状态演变数据。由于本发明所涉及的观测视野较小，因此快变数据的数据流量控制在512kB/s。上述处理过程所涉及的的缓变信号为步进电机转速信号、双目内窥镜开关量信号、高频激光发射器开关量信号、无影光源开关量信号、溢流管道开关量信号与排流管道开度信号，数据流量级别为32512kB/s。

②数据存储分析与指令发送模块接收信号采集与调理模块上传的实验平台快变信号与缓变信号，开辟动态缓存区域进行存储与数据管理，进行判断分析后，根据实验平台控制功能需求，向实验平台各功能构件(微型潜水泵、溢流开关、排流电磁阀、步进电机、无影光源、双目内窥镜、高频激光发射器、粒子图像处理模块)发送控制指令。上述处理过程所涉及的动态缓存区分为两个子区域，分别存储快变信号与缓变信号，其中快变缓存区为1GB，缓变缓存区为64MB。在此基础上，根据当前实验要求所确定的分辨率、采样频率确定内存空间，并进行溢出覆盖处理与数据空间交换，保证系统数据交互的顺利进行。

③粒子图像测速后处理模块接收信号采集与调理模块上传的连续多帧旋涡形成Ekman层抽吸演化过程图像进行半色调处理、连续痕迹重构与局部湍动能分布计算，进而得到圆柱体容器内旋涡流场的速度矢量分布与涡量分布，为实验研究人员提供直观的流场分布数据。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台，其特征在于：所述实验平台是面向汇流旋涡形成抽吸过程观测的机-电-液一体化系统，包括机械传动与控制子系统、流体输送与控制子系统、旋涡抽吸过程实时追踪子系统与实验台流程控制子系统；

所述的机械传动与控制子系统包含实体机械支撑框架与工作执行部分，用于实现旋涡形成周向速度分量的供给与调控；

所述的流体输送与控制子系统，用于实现汇流旋涡抽吸形成机理观测实验过程中的流体输送、进出流控制和溢流控制；

所述的旋涡抽吸过程实时追踪子系统，用于实现汇流旋涡形成抽吸过程的实时图像数据采集、预处理和后处理；

所述的实验台流程控制子系统为控制中心，用于接收其它三个子系统上传的实时数据，进行判断与处理后，向相应的子系统输出执行指令，完成整个实验流程的操控。

2.如权利要求1所述的汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台，其特征在于：所述机械传动与控制子系统包括实体支撑模块、流体容器模块、动力驱动模块与机械传动模块；

所述的实体支撑模块由角钢结构件与铝合金功能件组成；所述的角钢结构件通过焊接工艺组合，实现实验平台的承重与支撑；所述的铝合金结构件通过螺纹紧固与铰接方式安装在角钢结构件上，实现对实验平台各个功能模块的固定、挂接和连接；

所述的流体容器模块由圆柱体容器、排流管、溢流管与长方体容器组成；所述的圆柱体容器由透明的有机玻璃材料粘接而成，通过螺纹连接方式安装在实体支撑模块上，其主体用于盛放实验流体；所述的圆柱体容器两侧分别标有容积刻度与高度刻度，用以标识排流过程中的容积变化与液面高度变化；所述的排流管通过管螺纹连接，安装在圆柱体容器底部，实现实验流体的排放过程；所述的溢流管通过管螺纹连接，安装在圆柱体容器的上端，实现实验注流过程中的溢流保护；所述的溢流管外端与聚氯乙烯软管连接，最后接入长方体容器；所述的长方体容器由聚氯乙烯硬质材料粘接而成，位于排流管的正下方，用以盛放排出或溢流的实验流体；

所述的动力驱动模块包含步进电机及其调速控制装置；所述的步进电机为圆柱体旋转提供动力；所述的调速控制装置接收实验台流程控制子系统发出的控制指令，根据指令要求，将步进电机调至预定速度；所述的调速控制装置采用空间矢量脉宽调制与在线反馈控制相结合的方法，实现在实验过程中对步进电机的赫兹级调速，从而为抽吸物理过程的重复观察提供可靠条件；

所述的机械传动模块由第一弹性联轴器、主动轴、中间轴、从动轴、第二弹性联轴器组成；所述的第一弹性联轴器一端与步进电机主轴相连，一端与主动轴相连；所述的主动轴、中间轴与从动轴分别通过半圆键与主动齿轮、中间轴一级/二级齿轮、从动齿轮相连；所述的主动齿轮与中间轴一级齿轮相啮合，中间轴一级/二级齿轮共轴，中间轴二级齿轮与从动轴齿轮相啮合；所述的第二弹性联轴器一端与从动轴相连，另一端与圆柱体容器下端相连接，实现步进电机稳定对圆柱体容器施加周向速度。

3.如权利要求2所述的汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台，其特征在于：所述的流体输送与控制子系统包括循环注流模块、溢流控制模块与排流控制模块；

所述的循环注流模块由微型潜水泵、聚氯乙烯软管、注流调节装置组成；所述的微型潜水泵安装在长方体容器底部，通过聚氯乙烯软管向圆柱体容器注入实验流体；所述的注流调节装置安装在圆柱体容器的上端，通过流量阀调整注入圆柱体容器的流量，通过注流端口调节注入圆柱体容器的流体方向：径向、周向、轴向；

所述的溢流控制模块由液面传感器与溢流电磁阀组成；所述的液面传感器感知圆柱体容器内的液面极限高度，若液面达到高度阈值，则向实验台流程控制子系统发送提示信号；所述的溢流电磁阀安装在溢流管前端，根据所接收的实验台流程控制子系统的控制指令，完成溢流通道的开启与关闭；

所述的排流控制模块为可调式电磁阀；所述的可调式电磁阀通过信号线与实验台流程控制子系统相连，安装在圆柱体容器与排流管结合部；根据来自实验台流程控制子系统发送的控制指令，提供排流流量控制档位。

4.如权利要求2所述的汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台，其特征在于：所述旋涡抽吸过程实时追踪子系统，用于通过粒子图像测速系统实时观测汇流旋涡形成及其Ekman边界层的抽吸过程演化过程；所述的粒子图像测速系统包含无影光源、双目内窥镜、高频激光发射器和粒子图像处理模块；

所述的无影光源为全弧面点阵LED灯，实现实验过程照明、补光灯功能，且解决实验过程中的气液两相界面反光问题；所述的双目内窥镜呈90度夹角安装在透明圆柱体容器的两侧，实现对容器内部旋涡流场三维图像细节特征的精确采集；所述的高频激光发射器可发射高频激光束，进而产生超快过程，捕捉Ekman边界层临界状态的演化特征与转化细节信息；所述的粒子图像处理模块对采集到的旋涡流场三维图像细节特征数据与Ekman边界层临界状态数据进行滤波、对接、融合、重构等处理，得到连续的多帧旋涡形成Ekman层抽吸演化过程图像，作为实验规律分析的基础元数据。

5.如权利要求4所述的汇流旋涡抽吸形成机理观测实验平台，其特征在于：所述的实验台流程控制子系统，包含信号采集与调理模块、数据存储分析与指令发送模块、粒子图像测速后处理模块，其中，

所述的信号采集与调理模块，用于通过传感器采集实验平台各关键功能位置的快变信号与缓变信号，并通过卡尔曼滤波的方法剔除所采集数据中的异常干扰信号；所述的快变信号为旋涡流场三维图像细节特征数据与Ekman边界层临界状态演变数据；所述的缓变信号为步进电机转速信号、双目内窥镜开关量信号、高频激光发射器开关量信号、无影光源开关量信号、溢流管道开关量信号与排流管道开度信号；

所述的数据存储分析与指令发送模块，用于接收信号采集与调理模块上传的实验平台快变信号与缓变信号，开辟动态缓存区域进行存储与数据管理，进行判断分析后，根据实验平台控制功能需求，向实验平台各功能构件发送控制指令；所述的动态缓存区分为两个子区域，分别存储快变信号与缓变信号，根据当前实验要求所确定的分辨率、采样频率确定内存空间，并进行溢出覆盖处理与数据空间交换；

所述的粒子图像测速后处理模块，用于接收信号采集与调理模块上传的连续多帧旋涡形成Ekman层抽吸演化过程图像进行半色调处理、连续痕迹重构与局部湍动能分布计算，进而得到圆柱体容器内旋涡流场的速度矢量分布与涡量分布。