CN107764701B - 一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置和实验方法，包括由管路循环串联连接的储液箱、循环泵和喷口管组件，储液箱内装有混合实验颗粒的循环流体；喷口管组件包括进口段、加速段、喷口区、分析段和出口段，进口段与循环泵的管路连接，加速段的大端与进口段对接，小端为喷口区，喷口区同时接入分析段，并且分析段的管径大于喷口区的管径，在分析段形成剪切应力流场，分析段通过出口段与储液箱的管路连接，本发明设计采用可模拟产生不同程度剪切应力流场的喷口管组件模型，克服了现有对剪切应力流场中颗粒随流性分析测量的困难，结合PIV粒子图像测速技术，实现了剪切应力流场中颗粒随流性分析。

Description

一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置及实验方法，属于流体实验技术。
背景技术
剪切应力流场是一种由于流场中速度梯度过大而产生的特殊流动状态，其对流经的颗粒会产生较强的剪切应力破坏效应；特别是在人体的心脏瓣膜、血液导管和血液泵等血液输送环境中，流场中的剪切应力会导致流经的血红细胞颗粒发生破碎溶血，丧失为人体输送氧气的能力，从而危及生命。
因此，研究颗粒在剪切应力流场中的剪切破碎，对其在流场中的运动和受力进行分析，对于解决医学上的血管疾病具有重要的意义。
目前，通过计算流场中剪切应力大小和在对应力下的暴露时间，确定流场对流经颗粒的破坏程度，是国内外通用的研究手段。而通过流场中剪切应力确定颗粒受力，必须先确定颗粒在流场中的随流性状态；由于流场中剪切应力程度不同，颗粒本身特性不同，导致随流性的分析是目前的技术难点和盲点；现阶段大部分都是通过参考近似的理论计算，或直接忽略颗粒在流场中的随流性差别，从而导致难以得到足够可靠的实际受力分析结论。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前缺少对颗粒在不同流场中随流性状态的实验方案，提供一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置及实验方法，实现了对一系列不同程度剪切应力流场颗粒随流性的分析。
本发明采用如下技术方案实现：
一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，包括喷口管组件1、储液箱5、循环泵7和PIV粒子图像测试系统12，其中，所述储液箱5、循环泵7和喷口管组件1由管路循环串联连接，所述储液箱5内装有混合实验颗粒的循环流体；
所述喷口管组件1包括进口段101、加速段102、喷口区103、分析段104和出口段105，所述进口段101与循环泵的管路连接，将循环流体平稳引入加速段102，所述加速段102为锥型变径管结构，所述加速段102的大端与进口段101对接，小端为喷口区103，所述喷口区103同时接入分析段104，并且分析段104的管径大于喷口区103的管径，经由加速段102加速后的流体从喷口区高速射入分析段104形成剪切应力流场，所述分析段104通过出口段105与储液箱的管路连接；
所述PIV粒子图像测试系统12的拍摄区域为经由加速段102、喷口区103后高速射入分析段104中形成的剪切应力流场区域。
进一步的，所述喷口管组件1置于折射率校正水箱2内，所述折射率校正水箱2的两侧壁分别与进口段101和出口段105之间密封固定；
所述折射率校正水箱2内填装有浸没喷口管组件的循环流体；
所述PIV粒子图像测试系统12固定设置在折射率校正水箱2外。
进一步的，所述喷口管组件1及折射率校正水箱2采用相同折射率的光学玻璃材料，所述循环流体采用折射率与上述光学玻璃接近的甘油水溶液。
进一步的，所述喷口管组件1的两端管道分别设有第一压力表3和第四压力表11，所述循环泵7的进口和出口分别设有第二压力表6和第三压力表8。
进一步的，所述喷口管组件1的进口管道上设有流量计9。
进一步的，所述喷口管组件1的进口管道上还设有排气阀10。
进一步的，所述喷口管组件1连接的出口管路上设有阻尼阀4。
在本发明的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置中，所述进口段101与加速段102为一体管，所述进口段101与管路可拆卸连接，所述加速段102分为大端管径相同，小端管径在5-8mm之间变化的若干组，通过拆卸更换不同的进口段101与加速段102，与分析段104模拟一系列不同程度的剪切应力流场；所述分析段104和出口段105为等径的一体管，其管径为16mm。
本发明还公开了一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验方法，采用上述的实验装置，具体包括如下步骤：
第一步、向储液箱5加入循环流体，全开阻尼阀4，保证循环管路的流通；
第二步、启动循环泵7，监控并调节循环泵的输出流量稳定至5±0.05L/min；
第三步、调节PIV粒子图像测试系统的激光成片光状垂直从上方照向喷口管组件的剪切应力流场区域，并调节至能够清晰显示的激光强度；
第四步、从储液箱5中加入所选择的示踪颗粒，等待一定时间达到颗粒在循环流体内的循环稳定，并监控流量和压力点的状态；
第五步、通过PIV粒子图像测试系统的计算机软件控制高速CCD相机，进行颗粒在剪切应力流场区域的流动状态采集，并将采集的图像数据传回计算工作站；
第六步、由计算工作站分析采集的颗粒照片，计算得到该示踪颗粒在对应剪切应力流场区域的流动状态；
第七步、完成一组喷口管的拍摄后，从折射率校正水箱2中拆除该组喷口管，并更换下一组不同管径的喷口管，然后重复上述第一步至第六步的实验步骤，由此完成不同程度剪切应力流场中颗粒运行状态的测量。
进一步的，采用第一步至第七步的实验步骤，使用不同密度、粒径的示踪颗粒与标准5um荧光颗粒进行对比分析，得到不同颗粒在剪切应力流场中的随流性误差；并且根据标准5um的荧光微粒所得结果视为流场流动状态，计算出对应位置的剪切应力大小，从而修正其他颗粒在此位置中所受的湍流剪切应力。
本发明根据颗粒在不同程度剪切应力流场中的随流性存在差别，采用一种能够模拟产生不同程度剪切应力流场的喷口管模型，模型的进口段管径固定，通过变径管道的加速段内加速的方式由喷口区高速射入喷口段内，在喷口段的区域内产生剪切应力流场状态。为了模拟出不同程度的剪切应力流场，进口段和加速段可设计不同锥型小端管径的若干组，结合固定管径的分析段，计算机模拟结果可对应产生最大剪切应力约为150-800Pa的剪切应力流场。
本发明还根据不同颗粒本身存在特性上的差别，最小粒径可达到5微米左右，采用PIV粒子图像测速技术，可测量得到微观、详细的颗粒在剪切应力流场中运动状态。区别与单点和多点的测速方式，通过PIV技术可测量得到布撒于流场中颗粒完整的运动状态，分析颗粒随流性需要测量得到将其在流场中完整的运动迹线，从而与标准无随流性偏差的颗粒结果进行对比，还可分析得到不同颗粒在流场中的随流性偏差情况。
由上所述，本发明克服了现有对剪切应力流场中颗粒随流性分析测量的困难，设计了可模拟产生不同程度剪切应力流场的喷口管模型，结合PIV粒子图像测速技术，测量得到微观、详细的颗粒在剪切应力流场中运动状态，客观有效地实现了剪切应力流场中颗粒随流性分析。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为实施例中的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置的连接示意图。
图2为实施例中的喷口管组件的结构示意图。
图3a、3b、3c、3d为通过有限元分析得到的颗粒在本实施例的四组不同喷口管径下流经所剪切应力流场时所受剪切应力的变化状态。
图中标号：1-喷口管组件，101-进口段，102-加速段，103-喷口区，104-分析段，105-出口段，2-折射率校正水箱，3-第一压力表，4-阻尼阀，5-储液箱，6-第二压力表，7-循环泵，8-第三压力表，9-流量计，10-排气阀，11-第四压力表，12-PIV粒子图像测试系统。
具体实施方式
实施例
参见图1，图示中的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置为本发明中的优选方案，具体包括喷口管组件1、折射率校正水箱2、第一压力表3、阻尼阀4、储液箱5、第二压力表6、循环泵7、第三压力表8、流量计9、排气阀10、第四压力表11、PIV粒子图像测试系统12以及连接上述部件的管道，其中，储液箱5、循环泵7和喷口管组件1作为实现流体循环的主要部件串联连接，并形成一循环闭环管路，储液箱5的出液口与循环泵7的进口连接，循环泵7的出口与喷口管组件1的进口连接，喷口管组件1的出口与出液箱5的回流口连接，储液箱5内装有混合实验颗粒的循环流体，循环泵7将储液箱5内的循环流体泵送到喷口管组件1内形成剪切应力流场，并将循环流体回流到储液箱5内实现循环利用。PIV粒子图像测试系统12对喷口管组件1形成的剪切应力流场区域进行拍摄，并分析循环流体中的实验颗粒通过剪切应力流场区域的随流特性。
具体的，在喷口管组件1的两端管道分别设有第一压力表3和第四压力表11，循环泵7的进口和出口分别设有第二压力表6和第三压力表8，用于分别测量循环泵前后，以及喷口管组件前后的系统压力。
循环泵6采用软管泵，调节转轮转速，产生5L/min的连续循环流量。
在喷口管组件1的进口管道上设有流量计9，流量计3采用椭圆齿轮流量计，以高精度的测量5L/min的较小循环流量。
在喷口管组件1的进口管道上还设有排气阀10，排气阀10主要是在喷口管拍摄区域前排除循环管道内气体，避免在拍摄时对粒子图像的获取产生影响。
喷口管组件1连接的出口管路上设有阻尼阀4，阻尼阀4主要通过其开闭，细微的调节循环管道内的压流特性。
具体如图2中所示，本实施例的喷口管组件1分为进口段101、加速段102、喷口区103、分析段104和出口段105，其中，进口段101为等径直管，加速段102为一个锥型变径管，进口段101一端与循环泵的管路连接，另一端与加速段102的大端固定对接，将循环流体平稳引入加速段102，循环流体在加速段102逐渐缩小的管腔内，流速逐渐增加，图中速度等值线体现出流体在喷管内的速度变化程度，等值线越密速度梯度越大，剧烈的速度梯度变化即产生研究所需的剪切应力流场。加速段102的小端出口为喷口区103，所述喷口区103同轴接入分析段104的一端，并且分析段104的管径大于喷口区103的管径，经由加速段102加速后的流体从喷口区高速射入分析段104形成剪切应力流场，所述分析段104通过出口段105与储液箱的管路连接，出口段105和分析段104为一体等径直管，管径为16mm。
在喷口管组件1外固定罩设有折射率校正水箱2，进口段101和出口段105分别密封设置在折射率校正水箱2两相对的侧面上，折射率校正水箱2内填装由浸没喷口管组件的循环流体。PIV粒子图像测试系统12则固定设置在折射率校正水箱2外，对经由加速段102、喷口区103后高速射入分析段104中形成的剪切应力流场区域进行拍摄。
由于喷口管组件在实验时浸没于水箱的循环流体中，折射率校正水箱2为降低PIV粒子图像测试系统12拍摄时折射率的影响，本实施例的折射率校正水箱2与喷口管组件1均采用相同折射率的光学玻璃材料，并且循环流体采用配置折射率与光学玻璃接近的甘油水溶液。
本实施例可分为实验水力系统和PIV粒子图像测试系统两部分。其中水力系统如图1中所示，通过喷口管组件1模拟产生剪切应力流场，在本实施例的喷口管组件1结构上，进口段101的管径为10mm，通过加速段的变径管道间所加速的方式由小端喷口高速流入管径16mm的分析段104，在喷出位置的喷口区103和分析段104产生剪切应力流场状态。为了模拟产生不同程度的剪切应力流场，本实施例的进口段101和加速段102采用一体管，整体与折射率校正水箱2以及管路之间可拆卸设置，可配置加速段102的小端喷口区管径为5-8mm的若干组，通过拆卸更换不同的加速段102产生不同程度剪切应力流场，结合循环泵的流量设定，计算机模拟结果认为本实施例可对应产生最大剪切应力约为150-800Pa的剪切应力流场。
PIV粒子图像测试系统包括有CCD高速摄像机、激光器、同步控制器以及高性能计算工作站。激光器通过导光臂从上垂直向下向喷口管组件的剪切应力流场区域发射激光，CCD高速相机垂直于激光面从正面进行拍摄，并将所拍摄图片传输至高性能工作站完成数据处理。最终得到所布散粒子在剪切应力流场中的运行状态。采用PIV粒子图像测试系统为常用的流体内颗粒的流动状况采集和数据分析的设备，本实施例在此不对其具体的工作原理进行赘述
本实施例分析剪切应力流场颗粒随流性的实验方法，具体包括如下步骤：
第一步、向储液箱5加入循环流体，全开阻尼阀4，保证循环管路的流通；
第二步、启动循环泵7，调节软管泵的转轮转速，通过流量计9监控并调节循环泵的输出流量稳定至5±0.05L/min；
第三步、调节PIV粒子图像测试系统的激光成片光状垂直从上方照向喷口管组件的剪切应力流场区域，并调节至能够清晰显示的激光强度；
第四步、从储液箱5中加入所选择的示踪颗粒，等待一定时间达到颗粒在循环流体内的循环稳定，并监控流量和压力点的状态；
第五步、通过PIV粒子图像测试系统的计算机软件控制高速CCD相机，进行颗粒在剪切应力流场区域的流动状态采集，并将采集的图像数据传回计算工作站；
第六步、由计算工作站分析采集的颗粒照片，计算得到该示踪颗粒在对应剪切应力流场区域的流动状态；
第七步、完成一组喷口管的拍摄后，从折射率校正水箱2中拆除该组喷口管，并更换下一组不同管径的喷口管，然后重复上述第一步至第六步的实验步骤，由此完成不同程度剪切应力流场中颗粒运行状态的测量。
图3a、3b、3c、3d为通过有限元分析得到的颗粒在四组不同喷口管径下流经所剪切应力流场区域时所受剪切应力的变化状态，图中曲线代表随机选取的50条运动轨迹剪切应力随时间的变化情况。
再采用上述的实验步骤，使用不同密度、粒径的示踪颗粒与标准5um荧光颗粒进行对比分析，得到不同颗粒在剪切应力流场中的随流性误差；并且根据标准5um的荧光微粒所得结果视为流场流动状态，计算出对应位置的剪切应力大小，从而可以修正其他颗粒在此位置中所受的湍流剪切应力。
以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，其特征在于：包括喷口管组件(1)、储液箱(5)、循环泵(7)和PIV粒子图像测试系统(12)，其中，所述储液箱(5)、循环泵(7)和喷口管组件(1)由管路循环串联连接，所述储液箱(5)内装有混合实验颗粒的循环流体；
所述喷口管组件(1)包括进口段(101)、加速段(102)、喷口区(103)、分析段(104)和出口段(105)，所述进口段(101)与循环泵的管路连接，将循环流体平稳引入加速段(102)，所述加速段(102)为锥型变径管结构，所述加速段(102)的大端与进口段(101)对接，小端为喷口区(103)，所述喷口区(103)同时接入分析段(104)，并且分析段(104)的管径大于喷口区(103)的管径，经由加速段(102)加速后的流体从喷口区高速射入分析段(104)形成剪切应力流场，所述分析段(104)通过出口段(105)与储液箱的管路连接；
所述PIV粒子图像测试系统(12)的拍摄区域为经由加速段(102)、喷口区(103)后高速射入分析段(104)中形成的剪切应力流场区域。
2.根据权利要求1所述的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，其特征在于：所述喷口管组件(1)置于折射率校正水箱(2)内，所述折射率校正水箱(2)的两侧壁分别与进口段(101)和出口段(105)之间密封固定；
所述折射率校正水箱(2)内填装有浸没喷口管组件的循环流体；
所述PIV粒子图像测试系统(12)固定设置在折射率校正水箱(2)外。
3.根据权利要求2所述的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，其特征在于：所述喷口管组件(1)及折射率校正水箱(2)采用相同折射率的光学玻璃材料，所述循环流体采用折射率与上述光学玻璃接近的甘油水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，其特征在于：所述喷口管组件(1)的两端管道分别设有第一压力表(3)和第四压力表(11)，所述循环泵(7)的进口和出口分别设有第二压力表(6)和第三压力表(8)。
5.根据权利要求4所述的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，其特征在于：所述喷口管组件(1)的进口管道上设有流量计(9)。
6.根据权利要求5所述的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，其特征在于：所述喷口管组件(1)的进口管道上还设有排气阀(10)。
7.根据权利要求6所述的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，其特征在于：所述喷口管组件(1)连接的出口管路上设有阻尼阀(4)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，其特征在于：所述进口段(101)与加速段(102)为一体管，所述进口段(101)与管路可拆卸连接，所述加速段(102)分为大端管径相同，小端管径在5-8mm之间变化的若干组，通过拆卸更换不同的进口段(101)与加速段(102)，与分析段(104)模拟一系列不同程度的剪切应力流场；所述分析段(104)和出口段(105)为等径的一体管，其管径为16mm。
9.一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验方法，其特征在于：采用权利要求8中的实验装置，具体包括如下步骤：
第一步、向储液箱(5)加入循环流体，全开阻尼阀(4)，保证循环管路的流通；
第二步、启动循环泵(7)，监控并调节循环泵的输出流量稳定至5±0.05L/min；
第三步、调节PIV粒子图像测试系统的激光成片光状垂直从上方照向喷口管组件的剪切应力流场区域，并调节至能够清晰显示的激光强度；
第四步、从储液箱(5)中加入所选择的示踪颗粒，等待一定时间达到颗粒在循环流体内的循环稳定，并监控流量和压力点的状态；
第五步、通过PIV粒子图像测试系统的计算机软件控制高速CCD相机，进行颗粒在剪切应力流场区域的流动状态采集，并将采集的图像数据传回计算工作站；
第六步、由计算工作站分析采集的颗粒照片，计算得到该示踪颗粒在对应剪切应力流场区域的流动状态；
第七步、完成一组喷口管的拍摄后，从折射率校正水箱(2)中拆除该组喷口管，并更换下一组不同管径的喷口管，然后重复上述第一步至第六步的实验步骤，由此完成不同程度剪切应力流场中颗粒运行状态的测量。
10.根据权利要求9中的一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验方法，其特征在于：采用第一步至第七步的实验步骤，使用不同密度、粒径的示踪颗粒与标准5um荧光颗粒进行对比分析，得到不同颗粒在剪切应力流场中的随流性误差；并且根据标准5um的荧光微粒所得结果视为流场流动状态，计算出对应位置的剪切应力大小，从而修正其他颗粒在此位置中所受的湍流剪切应力。
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