CN106841661A - 一种示踪粒子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种示踪粒子发生器，粒子容纳室和粒子均匀室为同轴的圆筒状结构，粒子容纳室的环形台面沿周向均匀设置有多个倾斜旋流管，粒子均匀室的筒壁沿周向均匀设置有多个水平旋流管，第一中间垂直管插入粒子容纳室，第二中间垂直管插入粒子均匀室，其入口端安装有遮挡罩；粒子容纳室容纳示踪粒子，气体由第一中间垂直管、倾斜旋流管和水平旋流管通入示踪粒子发生器，示踪粒子和气体的混合物由第二中间垂直管流出。通过调节第一中间垂直管、倾斜旋流管、水平旋流管的气体流量，可以方便灵活地调节示踪粒子的浓度，示踪粒子浓度调节范围广；固定颗粒和液体都能适用，通过更换倾斜旋流管的出口喷嘴即可实现液体和固体颗粒的切换。

Description

一种示踪粒子发生器

技术领域

本发明涉及流体速度场测量装置技术领域，尤其涉及一种示踪粒子发生器，其特别适用激光多普勒测速仪(LDV)、粒子图像测速仪(PIV)等基于光学手段的流体速度场测量仪器。

背景技术

激光多普勒测速仪(LDV)、粒子图像测速仪(PIV)等基于光学手段的流体速度场测量仪器，在进行流体的速度场测试时，必须在被测流场中释放细小的颗粒物，这些小颗粒物可以跟随流体一起运动，这些颗粒的直径在几微米时，流体跟随性很好，可以认为小颗粒的速度就是该位置流体的速度，因此，利用光学方法测量这些小颗粒的速度就获得了该位置流体的速度，这些小颗粒就称为示踪粒子。为了获得优质的速度测量结果，这些小颗粒必须被均匀播撒到被测流场中。

激光多普勒测速仪是单点速度测量仪器，它通过测量流场中某一位置小颗粒的多普勒频移来获得该点的速度。采用激光多普勒测速仪测量速度时，示踪粒子的浓度不需要很高，浓度太高反而不利于提高频响、并会造成较大的测量误差。

常用的粒子图像测速仪是二维速度场测量仪器，与激光多普勒测速仪相比，它要求被测流场中示踪粒子的浓度要更大、更均匀，否则无法得到有效的速度场结果。

示踪粒子可以是固体颗粒，也可是细小的液滴。目前的示踪粒子发生装置往往只能播撒固体颗粒或者液体，无法既可以使用固体颗粒也可以使用液滴；而且为了均匀播撒示踪粒子，往往采用多层筛网或者过滤阀，这种方式虽然改善了均匀性，但同时也增大了流动损失，无法大范围调节示踪粒子浓度。

可见，亟需一种示踪粒子浓度调节范围广、示踪粒子播撒均匀、压力损失小、液体和固体颗粒均能使用的示踪粒子发生器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种示踪粒子发生器。

(二)技术方案

本发明提供了一种示踪粒子发生器，包括：粒子容纳室和粒子均匀室为同轴的圆筒状结构，二者沿轴向连接且内部连通，形成一整体封闭的腔体；所述粒子容纳室的连接粒子均匀室的壁面形成一环形台面，所述环形台面沿周向均匀设置有多个倾斜旋流管，所述倾斜旋流管通入粒子容纳室内部，所述粒子容纳室与外部连通；所述粒子均匀室的筒壁沿周向均匀设置有多个水平旋流管，所述水平旋流管通入粒子均匀室内部，所述粒子均匀室与外部连通；第一中间垂直管插入粒子容纳室，其入口端露出于粒子容纳室外；第二中间垂直管插入粒子均匀室，其出口端露出于粒子均匀室外，其入口端安装有遮挡罩；所述粒子容纳室容纳示踪粒子，气体由所述第一中间垂直管、倾斜旋流管和水平旋流管通入示踪粒子发生器，所述示踪粒子和气体的混合物由第二中间垂直管流出。

优选地，当所述第一中间垂直管的气体流量增大、倾斜旋流管和水平旋流管的气体流量减小时，所述示踪粒子的浓度降低；当所述第一中间垂直管的气体流量减小、倾斜旋流管和水平旋流管的气体流量增大时，所述示踪粒子的浓度增大。

优选地，所述第二中间垂直管的出口端封闭，将其中一个倾斜进气管作为示踪粒子发生器的出口，所述示踪粒子和气体的混合物从该倾斜进气管流出；或者，所述第二中间垂直管的出口端封闭，将其中一个水平进气管作为示踪粒子发生器的出口，所述示踪粒子和气体的混合物从该水平进气管流出。

优选地，所述第一中间垂直管为多节管通过螺纹连接而成，第一中间垂直管伸入遮挡罩内部的长度越长，示踪粒子的浓度越高；反之，示踪粒子的浓度越低。

优选地，所述遮挡罩与第二中间垂直管的入口端通过螺纹连接；遮挡罩的扩张角度越大和/或高度越高，示踪粒子的浓度越高；反之，遮挡罩的扩张角度越小和/高度越低，示踪粒子的浓度越低。

优选地，所述倾斜旋流管的出口喷嘴为可拆卸结构。

优选地，所述示踪粒子为液体，所述倾斜旋流管的出口喷嘴为雾化喷嘴。

优选地，所述示踪粒子为固体颗粒，所述倾斜旋流管的出口喷嘴为多孔结构喷嘴；经倾斜旋流管通入粒子容纳室的气体带动固体颗粒旋转，并携带固体颗粒进入粒子均匀室，经水平旋流管通入粒子均匀室的气体带动来自粒子均匀室的固体颗粒进一步旋转；经第一中间垂直管通入的气体通过引射作用，将遮挡罩外的固体颗粒与气体混合物卷吸至遮挡罩内并与之掺混，掺混后的混合物由第二中间垂直管流出。

优选地，由水平旋流管通入的气体沿切向射入粒子均匀室。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的示踪粒子发生器具有以下有益效果：

(1)通过调节第一中间垂直管、倾斜旋流管、水平旋流管的气体流量，就可以实现有旋流体流量、无旋流体流量、射流流体流量、引射流体流量的比例可调，从而方便灵活地调节示踪粒子的浓度，示踪粒子浓度调节范围广，示踪粒子播撒均匀、压力损失小；

(2)通过选用不同长度的第一中间垂直管和/或不同扩张角度和高度的遮挡罩，也可以对示踪粒子的浓度进行调节，浓度调节方式多种多样，方便快捷；

(3)固定颗粒和液体都能适用，通过更换倾斜旋流管的出口喷嘴即可实现液体和固体颗粒的切换，一机两用，方便快捷，降低了设备成本。

附图说明

图1为根据本发明实施例的示踪粒子发生器的三维图；

图2为图1所示示踪粒子发生器的半剖图；

图3为图1所示示踪粒子发生器的俯视图；

图4为倾斜旋流管与轴线夹角示意图；

图5为图2的局部放大图。

【符号说明】

1-第一中间垂直管；11-第一中间垂直管的入口端；12-第一中间垂直管的出口端；

2-第二中间垂直管；21-第二中间垂直管的出口端；22-第二中间垂直管的入口端；

3-粒子容纳室；4-法兰；5-倾斜旋流管；6-水平旋流管；7-遮挡罩；8-出口喷嘴；9-粒子均匀室；

A-倾斜旋流管与Y轴的夹角；B-倾斜旋流管与Z轴的夹角。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明实施例的示踪粒子发生器，包括粒子容纳室3和粒子均匀室9，粒子容纳室3和粒子均匀室9为同轴的圆筒状结构，二者沿轴向连接且内部连通，形成一整体封闭的腔体。

粒子容纳室直径大于粒子均匀室直径，粒子容纳室的连接粒子均匀室的壁面形成一环形台面，环形台面外周固定有法兰4，用于固定示踪粒子发生器。

在环形台面上，沿周向均匀设置有四个倾斜旋流管5，倾斜旋流管5通入粒子容纳室3内部，使粒子容纳室3与外部连通。

在粒子均匀室9的筒壁上沿周向均匀设置有四个水平旋流管6，水平旋流管6通入粒子均匀室9内部，使粒子均匀室9与外部连通。

第一中间垂直管1沿轴线插入粒子容纳室3，其入口端11露出于粒子容纳室3外，出口端12位于粒子容纳室3内；第二中间垂直管2沿轴线插入粒子均匀室9，其出口端21露出于粒子均匀室9外，入口端22位于粒子均匀室9内；第二中间垂直管的入口端22安装有漏斗状的遮挡罩7，沿远离第二中间垂直管2的方向，遮挡罩7的直径渐增，第一中间垂直管的出口12伸入遮挡罩7内部。

当示踪粒子为固体颗粒时，粒子容纳室3用于容纳固体颗粒，优选固体颗粒占据粒子容纳室1/3的空间。

本发明实施例的示踪粒子发生器，待测气体由第一中间垂直管1、倾斜旋流管5和水平旋流管6通入示踪粒子发生器，经倾斜旋流管5通入粒子容纳室3的气体带动固体颗粒旋转并充满粒子容纳室3，同时携带固体颗粒进入粒子均匀室9。经水平旋流管6通入粒子均匀室9的气体带动来自粒子均匀室9的固体颗粒进一步旋转，并使固体颗粒与气体掺混更加均匀。经第一中间垂直管1通入的气体通过引射作用，将遮挡罩7外面的固体颗粒与气体混合物卷吸至遮挡罩7内并与之掺混，掺混后的混合物由第二中间垂直管2离开示踪粒子发生器。

通过调节第一中间垂直管1、倾斜旋流管5、水平旋流管6的流量就可以实现调节示踪粒子发生器示踪粒子的浓度。当示踪粒子浓度过大时，增大第一中间垂直管1中气体的流量、减小倾斜旋流管5和水平旋流管6中气体的流量，示踪粒子发生器输出的气体中的示踪粒子浓度降低，直至全部气体均由第一中间垂直管1通入，此时示踪粒子浓度最低；当示踪粒子浓度过小时，降低第一中间垂直管1中气体的流量、增大倾斜旋流管5和水平旋流管6中气体的流量，示踪粒子发生器输出的气体中的示踪粒子浓度增大，直至第一中间垂直管1中气体的流量为零，此时示踪粒子浓度达到较大值。进一步地，还可以降低水平旋流管6中气体的流量、增大倾斜旋流管5中气体的流量，进一步提高示踪粒子浓度。

为了获得最大的示踪粒子浓度，可以进一步将第二中间垂直管的出口端21封闭，也就是示踪粒子发生器的出口封闭，停止向其中一个倾斜进气管通入气体，而将该倾斜进气管作为示踪粒子发生器的出口，粒子和气体混合物从该倾斜进气管喷出；或者，停止向其中一个水平进气管通入气体，而将该水平进气管作为示踪粒子发生器的出口，粒子和气体混合物从该水平进气管喷出，此时示踪粒子浓度最高。

第一中间垂直管1、倾斜旋流管5、水平旋流管6的流量总和为气体总流量的100％，三者中任一个的流量可以为气体总流量的0-100％。

本发明实施例的示踪粒子发生器，通过灵活调节第一中间垂直管1、倾斜旋流管5、水平旋流管6的气体流量，就可以实现有旋流体流量、无旋流体流量、射流流体流量、引射流体流量的比例可调，从而方便灵活地调节示踪粒子的浓度，示踪粒子浓度调节范围广，示踪粒子播撒均匀、压力损失小。

进一步地，本发明实施例的示踪粒子发生器，第一中间垂直管1为多节不同长度的管螺纹连接而成，可以通过不同长度的管的组合实现第一中间垂直管1的长度调整，进而调整固体颗粒，即示踪粒子的浓度。当需要增大示踪粒子的浓度时，可以使用较长的管连接组成第一中间垂直管1，加大第一中间垂直管1伸入遮挡罩7内部的长度，从而提高示踪粒子的浓度；相反，当需要降低示踪粒子的浓度时，可以使用较短的管连接组成第一中间垂直管1，减小第一中间垂直管1伸入遮挡罩7内部的长度，从而降低示踪粒子的浓度。

其中，遮挡罩7与第二中间垂直管的入口端22通过螺纹连接，以便于对遮挡罩7进行更换，通过不同扩张角度和高度的遮挡罩调节示踪粒子的浓度。当需要增大示踪粒子的浓度时，可以使用扩张角度更大和/或高度更高的遮挡罩，从而提高示踪粒子的浓度；相反，当需要降低示踪粒子的浓度时，可以使用扩张角度更小和/或高度更低的遮挡罩，从而降低示踪粒子的浓度。

第一中间垂直管的出口端12与遮挡罩入口之间的距离为-1000mm～1000mm，该距离优选为遮挡罩入口直径的1/3，距离为正代表第一中间垂直管的出口端12伸入遮挡罩7内部，距离为负数代表第一中间垂直管的出口端12未伸入遮挡罩7内部。遮挡罩7的扩张角度为0°～180°，优选为90°～120°，遮挡罩高度为1mm～1000mm，优选与遮挡罩入口直径相同。

本发明实施例的示踪粒子发生器，通过选用不同长度的第一中间垂直管和/或不同扩张角度和高度的遮挡罩，也可以对示踪粒子的浓度进行调节，浓度调节方式多种多样，方便快捷。

请参见图3和图4，对倾斜旋流管和水平旋流管进一步说明。倾斜旋流管与Y轴的夹角为A，倾斜旋流管与Z轴的夹角为B，夹角A和B的取值范围为1-89°，优选为45°。水平旋流管与Y轴夹角为0度或90度，由水平旋流管6通入的气体沿切向射入粒子均匀室9，其中，Z轴为粒子容纳室3和粒子均匀室9的轴线，Y轴为粒子容纳室3和粒子均匀室9的一条径线。

虽然在本实施例中水平旋流管和倾斜旋流管均为四个，但本发明不限于此，水平旋流管和倾斜旋流管个数为2-100个。不同倾斜旋流管的夹角A可以相同也可以不同，夹角B可以相同也可以不同，优选不同倾斜旋流管的夹角A均相同，B也均相同。

本发明实施例的倾斜旋流管的出口喷嘴8为可拆卸结构，倾斜旋流管的出口喷嘴8可以采用为如图5所示的多孔结构，孔的面积与喷嘴出口面积比为1-100％，孔的形状可以为圆形、椭圆形、三角形、多边形，优选为圆形，多孔结构有利于是固体颗粒的运动更加均匀。示踪粒子发生器也可以使用液体作为示踪粒子，当使用液体作为示踪粒子时，该出口喷嘴8采用雾化喷嘴。

本发明实施例的示踪粒子发生器，固定颗粒和液体都能适用，通过更换倾斜旋流管的出口喷嘴即可实现液体和固体颗粒的切换，一机两用，方便快捷，降低了设备成本。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的示踪粒子发生器有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种示踪粒子发生器，其特征在于，包括：

粒子容纳室和粒子均匀室为同轴的圆筒状结构，二者沿轴向连接且内部连通，形成一整体封闭的腔体；

所述粒子容纳室的连接粒子均匀室的壁面形成一环形台面，所述环形台面沿周向均匀设置有多个倾斜旋流管，所述倾斜旋流管通入粒子容纳室内部，所述粒子容纳室与外部连通；

所述粒子均匀室的筒壁沿周向均匀设置有多个水平旋流管，所述水平旋流管通入粒子均匀室内部，所述粒子均匀室与外部连通；

第一中间垂直管插入粒子容纳室，其入口端露出于粒子容纳室外；第二中间垂直管插入粒子均匀室，其出口端露出于粒子均匀室外，其入口端安装有遮挡罩；

所述粒子容纳室容纳示踪粒子，气体由所述第一中间垂直管、倾斜旋流管和水平旋流管通入示踪粒子发生器，所述示踪粒子和气体的混合物由第二中间垂直管流出。

2.如权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，

当所述第一中间垂直管的气体流量增大、倾斜旋流管和水平旋流管的气体流量减小时，所述示踪粒子的浓度降低；

当所述第一中间垂直管的气体流量减小、倾斜旋流管和水平旋流管的气体流量增大时，所述示踪粒子的浓度增大。

3.如权利要求2所述的示踪粒子发生器，其特征在于，

所述第二中间垂直管的出口端封闭，将其中一个倾斜进气管作为示踪粒子发生器的出口，所述示踪粒子和气体的混合物从该倾斜进气管流出；或者，

所述第二中间垂直管的出口端封闭，将其中一个水平进气管作为示踪粒子发生器的出口，所述示踪粒子和气体的混合物从该水平进气管流出。

4.如权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述第一中间垂直管为多节管通过螺纹连接而成，第一中间垂直管伸入遮挡罩内部的长度越长，示踪粒子的浓度越高；反之，示踪粒子的浓度越低。

5.如权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述遮挡罩与第二中间垂直管的入口端通过螺纹连接；遮挡罩的扩张角度越大和/或高度越高，示踪粒子的浓度越高；反之，遮挡罩的扩张角度越小和/高度越低，示踪粒子的浓度越低。

6.如权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述倾斜旋流管的出口喷嘴为可拆卸结构。

7.如权利要求6所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述示踪粒子为液体，所述倾斜旋流管的出口喷嘴为雾化喷嘴。

8.如权利要求6所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述示踪粒子为固体颗粒，所述倾斜旋流管的出口喷嘴为多孔结构喷嘴；

经倾斜旋流管通入粒子容纳室的气体带动固体颗粒旋转，并携带固体颗粒进入粒子均匀室，经水平旋流管通入粒子均匀室的气体带动来自粒子均匀室的固体颗粒进一步旋转；

经第一中间垂直管通入的气体通过引射作用，将遮挡罩外的固体颗粒与气体混合物卷吸至遮挡罩内并与之掺混，掺混后的混合物由第二中间垂直管流出。

9.如权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，由水平旋流管通入的气体沿切向射入粒子均匀室。