CN107064550A - 一种监测高速气固两相流流场特性的装置 - Google Patents

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杨可
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陶洋
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张兆
郭秋亭
左金
叶坤
周洪
范长海
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Abstract

本发明提供了一种超声速气流加速低热固相反应流场监测装置，用于获得低温固相反应装置中气相和固相组分的速度。使用DEHS液体材料通过雾化获得直径1微米左右的示踪粒子，对气相流示踪粒子进行光学处理，在DEHS溶剂中适当加入荧光剂进行染色，使其示踪粒子在激光照射下反射光波长发生改变，两台相机如果能分别采集一个特定波长的粒子图像，则能够实现对两种粒子的区分计算。

Description

一种监测高速气固两相流流场特性的装置
技术领域
本专利涉及流体监测领域，具体涉及一种监测高速气固两相流流场特性的装置。
背景技术
低热固相反应合成技术是近年来快速发展的材料制备新技术，其本质特征在于室温或低温下的能量传递，即通过机械化学研磨等方式，向粉末反应剂体系中引入机械能，并使之转变为反应体系的化学能，从而实现室温下的固相合成。本发明申请人研究团队经过大量的实验研究，以及在流体力学方面的雄厚研究基础，创造性得将超声速流体技术与固相化学反应合成技术结合起来，是在传统的超声速气流碰撞技术上的飞跃性变革，改变了一直以来超声速气流碰撞只能用于物质破碎和细化的认识，开启了一种全新的固-固反应、气-固低热反应高效合成技术，相关实验表明利用超声速气流加速和碰撞技术实现凝聚态物质低热固相合成是可行的，为了进一步研究超声速气流加速低热固相反应的机理，扩展超声速气流加速低热固相反应的适用条件和范围，需要获得高速气固两相流的流体力学特性。当前，非接触式的光学监测方法是常用的监测流体特性的方法。比如专利CN105004466A公开了采用基于粒子图像测速(PIV)原理的高精度非接触气动摩擦阻力监测方法及监测装置，用于在空气动力学风动试验中通过非接触光学方法，快速监测模型表面气动摩擦阻力的一维分布，该专利披露的技术方案目的是为了获得风洞中气流的流场特性，并未涉及本发明中的气固两相流同时监测的问题。
在本发明的低热固相反应体系中，现有的监测方法不能得到高可信度的结果，原因在于：一方面，本发明所说的超声速气流加速低热固相反应体系是利用超声速气流最终实现新物质的化学反应合成；另一方面，超声速气流加速低热固相反应属于循环反应，反应物在装置中循环运动、撞靶、发生反应，固相组分的粒径是不断变化的，因此，现有的试验方案无法直接用于监测低热固相反应装置中的气固两相运动速度。
发明内容
针对上述监测低热固相反应装置中的气固两相运动速度存在的问题，本发明提出了一种监测高速气固两相流流场特性的装置。
一种监测高速气固两相流流场特性的装置，在高速气固两相流通道侧壁对称设置两个光学窗口，对应两个光学窗口分别设置一号CCD相机和二号CCD相机，同时在光学窗口外部设置脉冲激光发射器，高速气固两相流通道的前端设置示踪粒子发射器，示踪粒子发射器与脉冲激光发射器、CCD相机、同步控制器、计算机实现连接。
所述示踪粒子发射器将示踪粒子送入高速气固两相流通道内，与通道内的高速气固两相流混合并跟随气流运动。所述示踪粒子为经过荧光剂处理后的直径为1μm左右的癸二酸二异辛酯(DEHS)雾化粒子。
一号CCD相机和二号CCD相机镜头前分别安装对应的带通滤光镜，两个相机能够拍摄到不同粒子。所述一号CCD相机和二号CCD相机将拍摄图像传输至数据采集卡，数据采集卡将数据传输至计算机。
所述的粒子发生器与高压气瓶由管路连接，由与同步控制器连接的电磁阀控制粒子发生器。所述脉冲激光发射器与同步控制器连接，控制器与计算机连接，计算机发出指令，由同步控制器控制过程时序。
在相同的激光照射下，额外添加的示踪粒子散射出与固相组分不同的散射光。一号CCD相机和二号CCD相机的镜头前则分别安装了对应的带通滤光镜，从而两个相机能够拍摄到不同的粒子，分别得到固相组分与额外添加的示踪粒子的数字图像。这两组图像在计算机中分别进行分析，最终得到固相组分的速度，以及代表气流速度的额外添加的示踪粒子的速度。
本发明具有以下几个方面的优点：示踪粒子对流体运动的跟随性好，能反映真实流体运动状态，示踪粒子对光的散射特性好，可见度高，示踪粒子在流体中的分布和浓度大小能满足获取全流场图像信息的要求。使用DEHS液体材料通过雾化获得直径1微米左右的示踪粒子，对气相流示踪粒子进行光学处理，在DEHS溶剂中适当加入荧光剂进行染色，使其示踪粒子在激光照射下反射光波长发生改变，两台相机如果能分别采集一个特定波长的粒子图像，则能够实现对两种粒子的区分计算。在两个CCD相机上分别安装不同波长范围的带通滤波镜，其带通范围分别对应532nm的激光波长(获得固相结果)和经过荧光剂染色的DEHS粒子(获得气相结果)。克服了由于固相组分在低热固相反应装置中循环运转而导致粒径变化的影响，从而在这种特殊工作环境下获得了常规多相流PIV单相机监测不能得到的气、固相组分流速。
附图说明
图1为监测气固两相流流场特性的装置示意图。1为一号CCD相机，2为二号CCD相机，3为数据采集卡，4为多通道同步控制器，5为计算机，6为高压气瓶，7为高速气固两相流通道，8为粒子发生器，9为电磁阀，10为固相组分，11为示踪粒子，12为光学窗口口，13为激光器。
图2为高速气固两相流通道7内气流速度矢量瞬态分布监测结果。其中，气流方向由左向右。
图3为高速气固两相流通道7内固相流速度矢量瞬态分布监测结果。其中，固相流方向由左向右。
图4为利用DEHS作为示踪粒子的PIV结果准确度与实际气流场流速比较图。其中，横轴为试验M数，纵轴为来流速度，—■—线代表风洞固有流场参数，—○—线代表PIV监测结果。
具体实施方式
如附图1所示，本发明涉及一种监测高速气固两相流流场特性的装置，在高速气固两相流通道7侧壁对称设置两个光学窗口12，对应两个光学窗口分别设置一号CCD相机1和二号CCD相机2，同时在光学窗口12外部设置脉冲激光发射器13，高速气固两相流通道7的前端设置示踪粒子发射器8，示踪粒子发射器8与脉冲激光发射器13、同步控制器、CCD相机、计算机实现连接和同步控制。示踪粒子发射器8将示踪粒子11送入高速气固两相流通道7内，与通道内的高速气固两相流混合并跟随气流运动。示踪粒子11为经过荧光剂处理后的直径为1μm左右的癸二酸二异辛酯(DEHS)雾化粒子。一号CCD相机1和二号CCD相机2镜头前分别安装对应的带通滤光镜，两个相机能够拍摄到不同粒子。所述一号CCD相机1和二号CCD相机2将拍摄图像传输至数据采集卡3，数据采集卡3将数据传输至计算机5。粒子发生器8与高压气瓶6由管路连接，由同步控制器4连接的电磁阀9控制粒子发生器8，所述脉冲激光发射器13与同步控制器4连接，控制器4与计算机5连接，计算机5发出指令，由同步控制器4控制过程时序。在相同的激光照射下，额外添加的示踪粒子11散射出与固相组分10不同的散射光。一号CCD相机1和二号CCD相机2的镜头前则分别安装了对应的带通滤光镜，从而两个相机能够拍摄到不同的粒子，分别得到固相组分10与额外添加的示踪粒子11的数字图像。这两组图像在计算机5中分别进行分析，最终得到固相组分10的速度，以及代表气流速度的额外添加的示踪粒子11的速度。
本发明示踪粒子对流体运动的跟随性好，能反映真实流体运动状态，示踪粒子对光的散射特性好，可见度高，示踪粒子在流体中的分布和浓度大小能满足获取全流场图像信息的要求。使用DEHS液体材料通过雾化获得直径1微米左右的示踪粒子，对气相流示踪粒子进行光学处理，在DEHS溶剂中适当加入荧光剂进行染色，使其示踪粒子在激光照射下反射光波长发生改变，两台相机如果能分别采集一个特定波长的粒子图像，则能够实现对两种粒子的区分计算。在两个CCD相机上分别安装不同波长范围的带通滤波镜，其带通范围分别对应532nm的激光波长(获得固相结果)和经过荧光剂染色的DEHS粒子(获得气相结果)。克服了由于固相组分在低热固相反应装置中循环运转而导致粒径变化的影响，从而在这种特殊工作环境下获得了常规多相流PIV单相机监测不能得到的气、固相组分流速。
应用本发明的装置进行高速气固两相流流程特性监测，如图2所示得到在高速气固两相流通道7内气流速度矢量瞬态分布监测结果，其中，气流方向由左向右，与之向比较的是图3得到的固相流速度矢量瞬态分布情况，由此可见，本发明的装置能够分别获取两相流中气流和固体流的流体性质。为了进一步验证本发明装置的准确度，本发明利用风洞进行实验，通过与风洞实际流速比较，验证示踪粒子的PIV模拟结果的准确性，如图4所示本发明装置的示踪粒子测试结果与实际气流流速保持较高的一致性，尤其是在高M数的情况下，准确性越好。

Claims (7)

1.一种监测高速气固两相流流场特性的装置，其特征在于，在高速气固两相流通道(7)侧壁径向对称设置两个光学窗口(12)；侧壁外，对应两个光学窗口分别设置一号CCD相机(1)和二号CCD相机(2)，同时在任一个光学窗口(12)外部设置脉冲激光发射器(13)；高速气固两相流通道(7)的入口端设置示踪粒子发射器(8)，并与脉冲激光发射器(13)、CCD相机、数据采集卡(3)、计算机(5)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述示踪粒子发射器(8)将示踪粒子(11)送入高速气固两相流通道(7)内，与通道内的高速气固两相流混合并跟随气流运动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述示踪粒子(11)为经过荧光剂处理后的癸二酸二异辛酯(DEHS)雾化粒子。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，一号CCD相机(1)和二号CCD相机(2)镜头前分别安装对应的带通滤光镜，两个相机能够拍摄到不同粒子。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述一号CCD相机(1)和二号CCD相机(2)将拍摄图像传输至数据采集卡(3)，数据采集卡(3)将数据传输至计算机(5)。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的粒子发生器(8)与高压气瓶(6)由管路连接，由与同步控制器(4)连接的电磁阀(9)控制粒子发生器(8)。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光发射器(13)与同步控制器(4)连接，同步控制器(4)与计算机(5)连接，计算机(5)发出指令，由同步控制器(4)控制过程时序。
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