CN106645791A - 适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，包括支架、高温循环风机、PIV系统以及角度调节系统，支架上设置有上气仓和下气仓，上气仓和下气仓上下相对设置，上气孔板和下气孔板之间形成观察区，观察区的左右两侧分别形成进料口和出料口；PIV系统位于观察区前侧，所述PIV系统包括可做XYZ三向位置调节的PIV数字相机和双脉冲激光器。本发明实验装置简单，用于模拟多个工业领域中热流固多场耦合条件下的小孔射流测速，并实现流体中示踪粒子的回收利用，具有拍摄区域可调性、实验参数多样性及拍摄位置准确性等优点。

Description

适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置

技术领域

本发明涉及一种适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置。

背景技术

空间射流技术存在于涉及航空、船泊、车辆、机械等多个工业领域，理论和应用方面的研究都还不充分，尤其是多个物理场耦合条件下的流场特性，如高端铝带材、铜板带材、超薄物理钢化玻璃生产中的内部流场。目前还没有专门适合多场耦合条件下小孔射流的测速实验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中无法实时观测实际工况中热流固耦合场中的小孔射流的技术问题，提供一种适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，解决现有技术中不能对多场耦合条件下小孔射流的测速的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，包括支架、高温循环风机、PIV系统以及角度调节系统，所述角度调节系统设置在支架的下方并带动支架做前后摆动；

所述支架上设置有可做上下运动的上气仓和下气仓，所述上气仓上端经上主进风管与高温循环风机连通，所述上气仓的下端设置上气孔板，所述下气仓的下端经下主进风管与高温循环风机连通，所述下气仓的上端设置有下气孔板；

所述上气仓和下气仓上下相对设置，所述上气孔板和下气孔板之间形成观察区，所述观察区的左右两侧分别形成进料口和出料口；所述PIV系统位于观察区前侧，所述PIV系统包括可做XYZ三向位置调节的PIV数字相机和双脉冲激光器， PIV数字相机对准观察区，样品在观察区内移动时实现对不同小孔射流区域的拍摄。

进一步的，所述上气仓内设置有上筛板，所述上筛板将上气仓分隔成上均流腔和上储气腔，所述上主进风管与上均流腔连通，所述上气孔板设置在上储气腔的下端，所述上均流腔内设置有上加热单元；

所述下气仓内设置有下筛板，所述下筛板将下气仓分隔成下均流腔和下储气腔，所述下主进风管与下均流腔连通，所述下气孔板设置在下储气腔的上端，所述下均流腔内设置有下加热单元。

进一步的，所述观察区的前侧和后侧各设置有透明观察板，两块透明观察板固定在支架上，后侧透明观察板上设置有多根用于对观察区进行抽吸的出风分流管，所述出风分流管与风机主出风管连接，所述风机主出风管与高温循环风机连接。

进一步的，所述观察区的后侧设置有用于带动样品在观察仓内水平直线运动的水平传动系统，所述水平传动系统包括多个边部摩擦轮、多个传动滚轮、多个皮带轮、多个传送带、水平传动轴、多个竖向传动轴、两个带座外球面球轴承；

所述水平传动轴的两端经带座外球面球轴承设置在支架上，各竖向传动轴与支架形成转动配合，各边部摩擦轮分别设置在各竖向传动轴的上端，各边部摩擦轮位于观察区的后侧并与透明观察板呈相对设置，各传动滚轮分别设置在各竖向传动轴的下端，各皮带轮分别设置在水平传动轴上，各传动带分别连接传动滚轮和皮带轮，所述水平传动轴上设置有齿轮，所述齿轮与外部链条连接。

进一步的，所述上气仓和下气仓分别设置在线性滑轨上，所述上气仓和下气仓分别经线性滑轨移动设置在支架上，通过线性滑轨调节上气仓和下气仓之间的观察仓的大小。

进一步的，所述上气仓上设置有用于调整上气仓内高温气流的流量和示踪粒子的浓度的上阀门；

所述下气仓上设置有用于调整下气仓内高温气流的流量和示踪粒子的浓度的下阀门。

进一步的，所述的PIV系统还包括相机调整架以及光源调整架，所述的PIV数字相机设置在相机调整架上，所述双脉冲激光器光源设置在光源调整架上；

所述的相机调整架包括相机X向直线滑台、相机Y向直线滑台、相机Z向直线滑台和相机导轨，所述相机Y向直线滑台和相机导轨平行设置在支架上，所述相机X向直线滑台一端与相机Y向直线滑台连接，相机Y向直线滑台的另一端与相机导轨移动配合，所述相机Z向直线滑台竖向设置在相机X向直线滑台上，所述PIV数字相机设置在相机Z向直线滑台上；

所述光源调整架包括光源X向直线滑台、光源Y向直线滑台、光源Z向直线滑台和光源导轨，所述光源Y向直线滑台和光源导轨平行设置在支架上，所述光源X向直线滑台一端与光源Y向直线滑台连接，光源Y向直线滑台的另一端与光源导轨移动配合，所述光源Z向直线滑台竖向设置在光源X向直线滑台上，所述双脉冲激光器光源设置在光源Z向直线滑台上。

进一步的，所述角度调节系统包括底座、铰链、电机以及电动推杆，所述支架后端通过铰链和地面连接形成转动副，所述电机和电动推杆连接，所述电动推杆竖直设置在底座上，所述电动推杆向上推动支架前端用来调节支架（8）与铅垂线的倾斜角。

本发明的有益效果是，本发明实验装置简单，用于模拟多个工业领域中热流固多场耦合条件下的小孔射流测速，并实现流体中示踪粒子的回收利用，具有拍摄区域可调性、实验参数多样性及拍摄位置准确性等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的装置示意图；

图2为上气仓、观察区、下气仓装配主视图剖视示意图；

图3为PIV系统示意图；

图4为水平传动系统主视图；

图5为水平传动系统左视图；

其中， 1、高温循环风机，2、水平传动系统，3、上气仓，4、观察区，5、PIV系统，6、下气仓，7、角度调节系统，8、支架，9、上主进风管，10、上加热单元，11、上均流腔，12、上筛板，13、上储气腔，14、上气孔板，15、下气孔板，16、下储气腔，17、下筛板，18、下加热单元，19、下均流腔，20、下主进风管，21、出风分流管，22、光源Z向直线滑台，23、光源X向直线滑台，24、双脉冲激光器光源，25、光源导轨，26、相机导轨，27、相机Y向直线滑台，28、相机X向直线滑台，29、PIV数字相机，30、相机Z向直线滑台，31、光源Y向直线滑台，32、边部摩擦轮，33、传动滚轮，34、水平传动轴、35、齿轮，36、带座外球面球轴承，37、竖向传动轴，38、皮带轮。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1至图5所示，一种适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，包括支架8、高温循环风机1、PIV系统5以及角度调节系统7，角度调节系统7设置在支架8的下方并带动支架8做前后摆动。

支架8上设置有可做上下运动的上气仓3和下气仓6，具体的，上气仓3和下气仓6分别设置在线性滑轨上，上气仓3和下气仓6分别经线性滑轨移动设置在支架8上，通过线性滑轨调节上气仓3和下气仓6之间的观察仓的大小。上气仓3与下气仓6平行对置，间距通过线性滑轨可调，可调范围为0~40mm，精度为1mm。

上气仓3上端经上主进风管9与高温循环风机1连通，上气仓3的下端设置上气孔板14，下气仓6的下端经下主进风管20与高温循环风机1连通，下气仓6的上端设置有下气孔板。

上气仓3和下气仓6上下相对设置，上气孔板14和下气孔板15之间形成观察区4，观察区4的左右两侧分别形成进料口和出料口；作业时，样品从进料口移入观察区4，然后慢慢从出料口移出。PIV系统5位于观察区4前侧，PIV系统5包括可做XYZ三向位置调节的PIV数字相机29和双脉冲激光器24， PIV数字相机29对准观察区4，样品在观察区4内移动时PIV数字相机29实现对不同小孔射流区域的拍摄。

上气仓3内设置有上筛板12，上筛板12将上气仓3分隔成上均流腔11和上储气腔13，上主进风管9与上均流腔11连通，上气孔板14设置在上储气腔13的下端，上均流腔11内设置有上加热单元10；下气仓6内设置有下筛板17，下筛板17将下气仓6分隔成下均流腔19和下储气腔16，下主进风管20与下均流腔19连通，下气孔板15设置在下储气腔16的上端，下均流腔19内设置有下加热单元18。上加热单元10可分级控制，上均流仓内温度调控范围为200℃~700℃，误差为±5℃。下加热单元18可分级控制，下均流仓内温度调控范围为200℃~700℃，误差为±5℃。控制上加热单元10和下加热单元18的分级温控器实现热气流的实验温度为650±5℃，使样品悬浮在在观察区4的相应高度水平运动并加热。

并且，上气仓3上设置有用于调整上气仓3内高温气流的流量和示踪粒子的浓度的上阀门；下气仓6上设置有用于调整下气仓6内高温气流的流量和示踪粒子的浓度的下阀门。

观察区4的前侧和后侧各设置有透明观察板，两块透明观察板固定在支架8上，后侧透明观察板上设置有多根用于对观察区4进行抽吸的出风分流管21，出风分流管21与风机主出风管连接，风机主出风管与高温循环风机1连接。

观察区4的后侧设置有用于带动样品在观察仓内水平直线运动的水平传动系统2，水平传动系统2包括多个边部摩擦轮32、多个传动滚轮33、多个皮带轮38、多个传送带、水平传动轴34、多个竖向传动轴37、两个带座外球面球轴承36；水平传动轴34的两端经带座外球面球轴承36设置在支架8上，各竖向传动轴37与支架8形成转动配合，各边部摩擦轮32分别设置在各竖向传动轴37的上端，各边部摩擦轮32位于观察区4的后侧并与透明观察板呈相对设置，各传动滚轮33分别设置在各竖向传动轴37的下端，各皮带轮38分别设置在水平传动轴34上，各传动带分别连接传动滚轮33和皮带轮38，水平传动轴34上设置有齿轮35，齿轮35与外部链条连接。通过链条带动齿轮35转动，最终带动边部摩擦轮32转动，实现带动样品移动。启动水平传动系统2，样品的一边依靠边部摩擦轮32作水平匀速直线运动。通过调节与齿轮35啮合的链传动速率（未图示）来调节样品在观察区4内水平直线运动的速度，速率在0~0.2m/s内可控，精度为0.1mm/s。

PIV系统5还包括相机调整架、光源调整架， PIV数字相机29设置在相机调整架上，双脉冲激光器光源24设置在光源调整架上；相机调整架包括相机X向直线滑台28、相机Y向直线滑台27、相机Z向直线滑台30和相机导轨26，相机Y向直线滑台27和相机导轨26平行设置在支架8上，相机X向直线滑台28一端与相机Y向直线滑台27连接，相机Y向直线滑台27的另一端与相机导轨26移动配合，相机Z向直线滑台30竖向设置在相机X向直线滑台28上，PIV数字相机29设置在相机Z向直线滑台30上。依靠相机X向直线滑台28、相机Y向直线滑台27、相机Z向直线滑台30这三个滑台控制PIV数字相机29对准观察区4。

光源调整架包括光源X向直线滑台23、光源Y向直线滑台31、光源Z向直线滑台22和光源导轨25，光源Y向直线滑台31和光源导轨25平行设置在支架8上，光源X向直线滑台23一端与光源Y向直线滑台31连接，光源Y向直线滑台31的另一端与光源导轨25移动配合，光源Z向直线滑台22竖向设置在光源X向直线滑台23上，双脉冲激光器光源24设置在光源Z向直线滑台22上。依靠光源X向直线滑台23、光源Y向直线滑台31、光源Z向直线滑台22控制双脉冲激光器光源24所发出的片光处于最佳位置。

角度调节系统7包括底座、铰链、电机以及电动推杆，支架8后端通过铰链和地面连接形成转动副，所述电机和电动推杆连接，电动推杆竖直设置在底座上，所述电动推杆向上推动支架8前端用来调节支架8与铅垂线的倾斜角。调节角度调节系统7使支架8与铅垂线保持10±1°倾斜角度。电机带动电动推杆向上顶起支架前端，从而达到倾斜的目的。

本发明试验装置的使用方法：上气仓3与下气仓6平行对置，通过线性滑轨调节上气仓3和下气仓6的间距，形成小尺寸空间的观察区4。启动水平传动系统2、角度调节系统7，角度调节系统7带动支架8向后转动倾斜，水平传动系统2带动样品进入观察区4内，由于支架8向后倾斜，因此观察区4内的样品后端与边部摩擦轮32接触，并在外部链条带动齿轮35转动的情况下，边部摩擦轮带动样品在观察区4内移动（速率为0.02±0.0001m/s水平直线运动），样品处于悬浮状态。具体悬浮加热的原理如下：将示踪粒子从风机主进风口吹入，与风机管路中的气流混合，经过上均流仓和下均流仓内的加热单元加热后，分别通过上筛板12和下筛板17进入上储气仓和下储气仓，得到温度均匀、压强均匀、混合充分的带有示踪粒子的高温气流。通过调节上气仓3阀门和下气仓6阀门的开度来调节高温气流的流量和示踪粒子的浓度。高温气流分别通过上气孔板14和下气孔板15上的小孔喷射到观察区4内的样品上下表面，对其加热。下部热气流将样品后端平稳托起，悬浮于观察区4适当高度。这样，观察区4内的样品后端与边部摩擦轮32接触并带动移动，样品被气流吹气处于悬浮状，观察区4内的带有示踪粒子的高温气流被透明观察板上的出风分流管21吸走，出风分流管21与高温循环风机1连通，高温循环风机1通过观察区4出风分流管21循环利用示踪粒子。

根据实验的拍摄范围调节PIV系统，确定PIV数字相机29与激光片光的最佳拍摄位置。通过调节相机调整架和光源调整架同步调整相机拍摄平面和激光片光平面，实现对不同小孔射流区域的拍摄。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，其特征是，包括支架（8）、高温循环风机（1）、PIV系统（5）以及角度调节系统（7），所述角度调节系统（7）设置在支架（8）的下方并带动支架（8）做前后摆动；

所述支架（8）上设置有可做上下运动的上气仓（3）和下气仓（6），所述上气仓（3）上端经上主进风管（9）与高温循环风机（1）连通，所述上气仓（3）的下端设置上气孔板（14），所述下气仓（6）的下端经下主进风管（20）与高温循环风机（1）连通，所述下气仓（6）的上端设置有下气孔板（15）；

所述上气仓（3）和下气仓（6）上下相对设置，所述上气孔板（14）和下气孔板（15）之间形成观察区（4），所述观察区（4）的左右两侧分别形成进料口和出料口；所述PIV系统（5）位于观察区（4）前侧，所述PIV系统（5）包括可做XYZ三向位置调节的PIV数字相机和双脉冲激光器， PIV数字相机对准观察区（4），样品在观察区（4）内移动时实现对不同小孔射流区域的拍摄。

2.根据权利要求1所述的适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，其特征是，所述上气仓（3）内设置有上筛板（12），所述上筛板（12）将上气仓（3）分隔成上均流腔（11）和上储气腔（13），所述上主进风管（9）与上均流腔（11）连通，所述上气孔板（14）设置在上储气腔（13）的下端，所述上均流腔（11）内设置有上加热单元（10）；

所述下气仓（6）内设置有下筛板（17），所述下筛板（17）将下气仓（6）分隔成下均流腔（19）和下储气腔（16），所述下主进风管（20）与下均流腔（19）连通，所述下气孔板（15）设置在下储气腔（16）的上端，所述下均流腔（19）内设置有下加热单元（18）。

3.根据权利要求1所述的适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，其特征是，所述观察区（4）的前侧和后侧各设置有透明观察板，两块透明观察板固定在支架（8）上，后侧透明观察板上设置有多根用于对观察区（4）进行抽吸的出风分流管（21），所述出风分流管（21）与风机主出风管连接，所述风机主出风管与高温循环风机（1）连接。

4.根据权利要求1所述的适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，其特征是，所述观察区（4）的后侧设置有用于带动样品在观察仓内水平直线运动的水平传动系统（2），所述水平传动系统（2）包括多个边部摩擦轮（32）、多个传动滚轮（33）、多个皮带轮（38）、多个传送带、水平传动轴（34）、多个竖向传动轴（37）、两个带座外球面球轴承（36）；

所述水平传动轴（34）的两端经带座外球面球轴承（36）设置在支架（8）上，各竖向传动轴（37）与支架（8）形成转动配合，各边部摩擦轮（32）分别设置在各竖向传动轴（37）的上端，各边部摩擦轮（32）位于观察区（4）的后侧并与透明观察板呈相对设置，各传动滚轮（33）分别设置在各竖向传动轴（37）的下端，各皮带轮（38）分别设置在水平传动轴（34）上，各传动带分别连接传动滚轮（33）和皮带轮（38），所述水平传动轴（34）上设置有齿轮（35），所述齿轮（35）与外部链条连接。

5.根据权利要求1所述的适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，其特征是，所述上气仓（3）和下气仓（6）分别设置在线性滑轨上，所述上气仓（3）和下气仓（6）分别经线性滑轨移动设置在支架（8）上，通过线性滑轨调节上气仓（3）和下气仓（6）之间的观察仓的大小。

6.根据权利要求1所述的适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，其特征是，所述上气仓（3）上设置有用于调整上气仓（3）内高温气流的流量和示踪粒子的浓度的上阀门；

所述下气仓（6）上设置有用于调整下气仓（6）内高温气流的流量和示踪粒子的浓度的下阀门。

7.根据权利要求1所述的适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，其特征是，所述的PIV系统（5）还包括相机调整架以及光源调整架，所述的PIV数字相机（29）设置在相机调整架上，所述双脉冲激光器光源（24）设置在光源调整架上；

所述的相机调整架包括相机X向直线滑台（28）、相机Y向直线滑台（27）、相机Z向直线滑台（30）和相机导轨（26），所述相机Y向直线滑台（27）和相机导轨（26）平行设置在支架（8）上，所述相机X向直线滑台（28）一端与相机Y向直线滑台（27）连接，相机Y向直线滑台（27）的另一端与相机导轨（26）移动配合，所述相机Z向直线滑台（30）竖向设置在相机X向直线滑台（28）上，所述PIV数字相机（29）设置在相机Z向直线滑台（30）上；

所述光源调整架包括光源X向直线滑台（23）、光源Y向直线滑台（31）、光源Z向直线滑台（22）和光源导轨（25），所述光源Y向直线滑台（31）和光源导轨（25）平行设置在支架（8）上，所述光源X向直线滑台（23）一端与光源Y向直线滑台（31）连接，光源Y向直线滑台（31）的另一端与光源导轨（25）移动配合，所述光源Z向直线滑台（22）竖向设置在光源X向直线滑台（23）上，所述双脉冲激光器光源（24）设置在光源Z向直线滑台（22）上。

8.根据权利要求1所述的适用于多场耦合条件下的小孔射流测速实验装置，其特征是，所述角度调节系统（7）包括底座、铰链、电机以及电动推杆，所述支架（8）后端通过铰链和地面连接形成转动副，所述电机和电动推杆连接，所述电动推杆竖直设置在底座上，所述电动推杆向上推动支架（8）前端用来调节支架（8）与铅垂线的倾斜角。