CN107907303B - 一种质点迹线跟踪显示实验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质点迹线跟踪显示实验装置及其方法，属于流体力学实验领域。它具有蓄水箱、水泵、气泵、变频气泡发生器，且在水泵与气泵、变频气泡发生器之间设有两条连通管道，其中一条为旁通管道，水泵后设有液体流量计，气泵后设有气体流量计，以上部件通过管道相互进行连接至上方试验槽，试验槽中设置气泡吸收板，气泡吸收板下方设置有前导流槽，前导流槽后设有安装底板，底板上装有实验模型，实验模型上方设置有高速相机，安装底板下设有平面光源，在安装底板的尾部设有后导流槽，后导流槽后方设有出液口，出液口下方设有漏斗。本发明能够以水替代传统的油作为实验介质，同时保持较高的迹线识别准确率。

Description

一种质点迹线跟踪显示实验装置及其方法

技术领域

本发明属于实验演示仪器领域，具体涉及一种质点迹线跟踪显示实验装置及其方法。

背景技术

质点迹线跟踪显示实验装置在流体力学实验中作为一种演示类的仪器可以直观地反映悬浮颗粒在流体中的运动状况，或是流体在运动中接触到障碍物的流态变化。传统的质点迹线跟踪显示实验装置往往使用油作为实验介质，在出油管道中设置打气装置以方便实验中的流态观察，此种实验方法往往需要大量的油，造成浪费。而且，油具有很高的粘性，其在实验完毕后清洗十分困难，当清洗不干净时会残留在仪器表面。因此当油与灰尘结合后，会在迹线仪器的面板上形成污渍，这类污渍会严重影响迹线的跟踪判断。

因此申请人设计了一种将水与表面活性剂作为实验介质的迹线仪。但是水中加入表面活性剂后又会带来另外的问题，由于水的粘性较小，除部分小气泡悬浮在水中之外，有大量的气泡会浮在水的表面。如何解决此类不良效应是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的解决现有技术中存在的问题，并提供一种质点迹线跟踪显示实验装置，具体技术方案如下：

质点迹线跟踪显示实验装置，其包括蓄水箱、水泵、气泵、变频气泡发生器、旁通管道、平面光源、试验槽、气泡吸收板、前导流槽、安装底板、高速相机、后导流槽和出液口；蓄水箱通过管道与水泵的进水口相连，从水泵出水口接出的管路通过二位三通阀分为两条支路，变频气泡发生器设置于其中一条支路上，且变频气泡发生器前端通过输气管连接有气泵；而另一条支路作为旁通管道；两条支路均连接至试验槽的进水箱；试验槽的进水箱与实验区域之间布设有用于稳定水流的前导流槽，气泡吸收板设置于前导流槽前端，且所述的气泡吸收板在试验槽中具有上下移动的自由度；试验槽的实验区域中设置有用于固定实验模型的固定件；试验槽的底板透光且底板下方安装有平面光源；试验槽的实验区域后端依次安装后导流槽和出液口；高速相机架设于试验槽的实验区域上方。

作为优选，所述气泡吸收板的底面位于所述进水箱中液面以上1～2mm处。

作为优选，所述的试验槽中开设有两条纵向的卡槽，所述的气泡吸收板通过卡槽配合固定，实现高度调节。

作为优选，所述的底板采用透光材料，且底板与平面光源之间铺设有柔光膜。

作为优选，所述的水泵出水口处设置有液体流量计，所述的气泵出气口处设置有气体流量计。

作为优选，所述的试验槽一侧铰接固定于水平平台上，另一侧底部设置有用于改变试验槽坡度角的升降机；试验槽侧壁上固定有坡度指示针，坡度指示针随试验槽的坡度角变化而发生位移，在坡度指示针的针头附近设置有一条标有连续刻度的刻度尺。

作为优选，所述的变频气泡发生器由与其相连的PMW变频器控制。

作为优选，所述的气泡吸收板表面覆盖有吸水性材料，用于去除与其接触的气泡。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述实验装置的质点迹线跟踪显示方法，其步骤如下：

S1：向蓄水箱中的水中掺入表面活性剂并混合均匀；

S2：将实验模型固定于试验水槽的实验区域中，并开启平面光源；

S3：将试验水槽的坡度角调节至目标角度；

S3：调节二位三通阀，使旁通管道关闭而另一支路连通；开启水泵，并调节至目标流量，待所述进水箱中液面稳定后，调节气泡吸收板的底面高度，使其位于进水箱中液面以上1～2mm处；

S4：开启气泵和变频气泡发生器，向水中掺入气泡，当实验区域中的流体流动稳定后，利用高速相机以预定的间隔连续拍摄实验区域中实验模型周边流场的照片；

S5：从拍摄时间段内的第一张照片中选择目标气泡并提取其当前位置，然后从后续的照片中识别出同一目标气泡的位置，将各位置按顺序衔接后即得到该气泡所代表的质点迹线。

作为优选，所述的变频气泡发生器产生的气泡粒径控制在1～2mm。

本发明的另一目的在于提供第二种利用上述实验装置的质点迹线跟踪显示方法，其特征在于，步骤如下：

S1：向蓄水箱中的水中掺入悬浮于水中的有色固体颗粒并混合均匀；

S2：将实验模型固定于试验水槽的实验区域中，并开启平面光源；

S3：将试验水槽的坡度角调节至目标角度；

S3：调节二位三通阀，使旁通管道打开而另一支路关闭；开启水泵，并调节至目标流量；当实验区域中的流体流动稳定后，利用高速相机以预定的间隔连续拍摄实验区域中实验模型周边流场的照片；

S4：从拍摄时间段内的第一张照片中选择目标有色固体颗粒并提取其当前位置，然后从后续的照片中识别出同一目标有色固体颗粒的位置，将各位置按顺序衔接后即得到该有色固体颗粒所代表的质点迹线。

相对于现有技术而言，本发明优点如下：

1)本发明可以以廉价、易清洗的水作为流体介质进行质点迹线试验，以展示不同物体周边的流场形态。而且，本发明的质点迹线跟踪显示实验装置，在进水管路上增加了一段旁通管道，可以使用两种不同介质的实验体进行实验，打开旁通管道时蓄水箱中放置与水密度相接近的固体颗粒物与水作为实验介质进行实验，关闭旁通管道时则使用表面活性剂与水作为实验介质进行实验；

2)其中在蓄水箱的出流管道中还设有液体流量计以显示流量大小，在气泵后面也同时设置了气体流量计，可以根据气体流量进行调节掺入水中的气量大小。

3)此实验仪还增加了可变坡设施，包括升降机、坡度指示针、水平仪和刻度尺，通过升降坡度以调节试验槽内的水流速，从而达到多样的实验效果。

4)此实验仪上设置有高速相机，能够实时拍摄流场的时序图像，该图像可用于人工识别迹线，也可以通过图像处理获取质点迹线，从而达到高质量的清晰的质点迹线跟踪显示。

附图说明

图1是一种质点迹线跟踪显示实验装置结构示意图；

图2是试验槽的平面示意图；

图3是图1中进水箱处的结构放大图；

图4是试验G中的网格板布置位置示意图；

图5是角度可调的质点迹线跟踪显示实验装置结构示意图；

图中：蓄水箱1、水泵2、液体流量计3、气泵4、气体流量计5、单向阀6、PMW变频器7、变频气泡发生器8、旁通管道9、平面光源10、二位三通阀11、水平仪12、升降机13、坡度指示针14、刻度尺15、出水管道16、试验槽17、气泡吸收板18、前导流槽19、底板20、高速相机21、实验模型22、磁铁A23、磁铁B24、安装架25、后导流槽26、出液口27、漏斗28、进水箱29。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为一实施例中的质点迹线跟踪显示实验装置，用于供学生进行流体力学实验，观察不同形状的物体周边的流场形态，并绘出质点迹线。该装置的主要结构包含蓄水箱1、水泵2、液体流量计3、气泵4、气体流量计5、单向阀6、PMW变频器7、变频气泡发生器8、旁通管道9、平面光源10、二位三通阀11、水平仪12、出水管道16、试验槽17、气泡吸收板18、前导流槽19、底板20、高速相机21、实验模型22、磁铁A23、磁铁B24、安装架25、后导流槽26、出液口27、漏斗28、进水箱29。

本发明的实验用水存储于蓄水箱1中，可以采用自来水，而不需要用传统的油。蓄水箱1通过管道与水泵2的进水口相连，通过水泵2的抽吸作用将水输送至二位三通阀11的进水口，二位三通阀11为一进而出阀门，其后端分出两条支路。图1中下方的支路上设置变频气泡发生器8，变频气泡发生器8由与其相连的PMW变频器7控制。在变频气泡发生器8的前端需要连接一条输气管，输气管上设置一个防止水反向倒灌的单向阀6，输气管末端连接气泵4。图1中上方的支路作为旁通管道9，使水无需经过变频气泡发生器8就可以输送至试验仪器中。两条支路汇合后连接至出水管道16，出水管道16的出水口将水垂直注入试验槽17的进水箱29。为了进一步实现水和空气的计量，在水泵2出水口处设置有液体流量计3，在气泵4出气口处设置有气体流量计5。

如图2和3所示，进水箱29作为试验槽17的进水区域，进水箱29后端还设有一块平整的实验区域。试验槽17的进水箱29与实验区域之间布设有用于稳定水流的前导流槽19，进水箱下部连通前导流槽19，进水通过前导流槽19整流后进入后方的实验区域。试验槽17的实验区域中设置有用于固定实验模型22的固定件。固定件可以采用插销、卡槽等各种方式，本实施例中为了实现可拆卸式安装，在试验槽17的底板20下方安装有一块磁铁B24，另外可在实验模型22中内置与磁铁B24相吸的磁铁A23，实验模型22可通过磁吸力固定在实验区域中。为了清晰展示质点的运动状态，试验槽17的底板20可以采用透光材料，最好用柔光材质，或者铺设柔光膜，然后在底板20下方安装有平面光源10。通过平面光源10穿透底板20照射于流体质点上的光线，使得质点能够被更清晰的展示。试验槽17的实验区域后端依次安装后导流槽26和出液口27。出液口27下方设置漏斗28，用于承接出液口27漏出的水，并通过管道将其回流至蓄水箱1中。高速相机21通过安装架25架设于试验槽17的实验区域正上方。其摄像头对准实验区域，可以定时间隔得拍摄区域中的高清图像，并用于后续的质点识别。试验槽17底部设置水平仪12，用于判断当前的实验区域是否处于水平。

本发明可以采用两种不同的介质进行实验，当二位三通阀11打开旁通管道9时，蓄水箱中放置与水密度相接近的固体颗粒物与水作为实验介质进行实验，固体颗粒物最好是具有容易辨识的颜色，如红色、黑色，当然此时底板20的颜色应与固体颗粒物具有一定的反差。另外，荣关闭旁通管道，打开变频气泡发生器8所在管路时，则使用表面活性剂与水混合作为实验介质进行实验。此时，通过气泵4和变频气泡发生器8，能够向水中掺入大量细微的气泡，这些气泡能够在水中维持一定的时间，足以完成迹线显示实验。

下面分别详述两种不同介质的实验方法。

当采用混有表面活性剂的水时，基于该实验装置的质点迹线跟踪显示方法，步骤如下：

S1：向蓄水箱1中的水中掺入表面活性剂并混合均匀；

S2：将实验模型22固定于试验水槽15的实验区域中，并开启平面光源10；

S3：将试验水槽15的坡度角调节至目标角度；

S3：调节二位三通阀11，使旁通管道9关闭而另一支路连通；开启水泵2，并调节至目标流量，待所述进水箱中液面稳定后，调节气泡吸收板18的底面高度，使其位于进水箱中液面以上1～2mm处；

S4：开启气泵4和变频气泡发生器8，向水中掺入气泡，当实验区域中的流体流动稳定后，利用高速相机21以预定的间隔连续拍摄实验区域中实验模型22周边流场的照片；

S5：从拍摄时间段内的第一张照片中选择目标气泡并提取其当前位置，然后从后续的照片中识别出同一目标气泡的位置，将各位置按顺序衔接后即得到该气泡所代表的质点迹线。

当采用混有悬浮固体颗粒物的水时，基于该实验装置的质点迹线跟踪显示方法，步骤如下：

S1：向蓄水箱1中的水中掺入悬浮于水中的有色固体颗粒并混合均匀；

S2：将实验模型22固定于试验水槽15的实验区域中，并开启平面光源10；

S3：将试验水槽15的坡度角调节至目标角度；

S3：调节二位三通阀11，使旁通管道9打开而另一支路关闭；开启水泵2，并调节至目标流量；当实验区域中的流体流动稳定后，利用高速相机21以预定的间隔连续拍摄实验区域中实验模型22周边流场的照片；

S4：从拍摄时间段内的第一张照片中选择目标有色固体颗粒并提取其当前位置，然后从后续的照片中识别出同一目标有色固体颗粒的位置，将各位置按顺序衔接后即得到该有色固体颗粒所代表的质点迹线。

质点颗粒(气泡或者有色固体颗粒)的识别可以采用人工方式，也可以采用计算机辅助识别方式。若采用人工方式，则需学生将实验区域划分为网格坐标，然后依次将同一个质点颗粒在不同的照片中的位置填入网格坐标中，然后按照按照照片拍摄的时间顺序连接，形成质点迹线。当然，也可以用计算机图形识别软件，提取每张照片中同一气泡的不同位置，然后将其合成至同一图片中，形成迹线。

然而，针对采用表面活性剂的方案，由于进水中添加了表面活性剂后，水中的气泡就分为两类，一类悬浮于液面以下，能够跟随流体同步运动。另一类气泡较大，悬浮于液面以上。水面上浮有较多的气泡时，这些气泡与流体的流动并非是实时的，而且气泡之间会相互缠结、融合，同时也会阻挡下方悬浮气泡的显示。因此需要对此类气泡进行消除。

本发明采用的技术方法是增设了一块气泡吸收板18。如图3所示，气泡吸收板18设置于前导流槽19前端。且气泡吸收板18通过开设在试验槽17上的竖向卡槽固定，可以在卡槽中上下移动。气泡吸收板18表面覆盖有吸水材料，能够在接触到气泡时将其吸附与表面，或者气泡较大时也会直接破裂。吸水材料上可以进一步喷上一定的消泡剂，加强消除气泡的作用。由此，悬浮于水表面的气泡会被阻止进入后方的实验区域，而悬浮于水面下方的气泡则能够跟随水的流动而流动。

但由于气泡存在一定的粘性和表面张力，气泡吸收板18的底面高度对气泡的消除率具有很重要的影响。此处通过若干个试验来说明高度对迹线识别有效性的影响：

试验A：利用上述装置，通过二位三通阀11关闭旁通管道9，使水从变频气泡发生器8所在管路经过。向4L水中加入2mL表面活性剂(采用洗洁精)，混合均匀后作为实验用水注入蓄水箱1中。保持试验水槽15处于水平状态，开启水泵3、平面光源10，调节流量控制实验区域(实验区域长度0.6m)中的流速为10cm/s，待进水箱29中液面稳定后，调节气泡吸收板18的底面高度，使其位于进水箱29中液面以上2mm处。开启气泵4和变频气泡发生器8，向水中掺入气泡，调节PMW变频器7参数，控制变频气泡发生器8产生的气泡直接在1-2mm。但该控制仅仅能够实现粗略控制气泡直径，而且这些气泡在输送过程中，可能会发生分裂、融合，因此最终仍然会有大量气泡浮在液面上。当实验区域中的流体流动稳定后，利用高速相机21以0.5s间隔连续拍摄实验区域中实验模型22周边流场的照片，总计获得12张照片。从拍摄时间段内的第一张照片中选择50个目标气泡，每个目标气泡尽量保证与其自身周边气泡存在形状上的差异，以便于识别。从后续的照片中识别出同一目标气泡的位置，由于气泡数量较多，当目标气泡上方存在漂浮于液面上的气泡时，会导致识别失败。而中途有2～3张照片中无法识别该目标气泡时，后续照片中可能已经无法找到该气泡了，识别已经无法保证准确，迹线跟踪识别失败。若在12张照片中至少提取出10张照片的目标气泡位置，则视为迹线跟踪识别成功。

试验B：与试验A相比，其区别仅在于调节气泡吸收板18的底面高度，使其位于进水箱中液面以下。

试验C：与试验A相比，其区别仅在于调节气泡吸收板18的底面高度，使其位于进水箱中液面以上1mm处。

试验D：与试验A相比，其区别仅在于调节气泡吸收板18的底面高度，使其紧贴进水箱中液面。

试验E：与试验A相比，其区别仅在于调节气泡吸收板18的底面高度，使其位于进水箱中液面以上5mm。

试验F：与试验A相比，其区别仅在于实验用水用自来水，不添加表面活性剂。

试验G：与试验A相比，其区别仅在于在气泡吸收板18之前增设一块孔径4mm×4mm的网格板，网格板底部固定于底板20上，顶部高于进水箱29的液面。网格板的作用是预先对水流进行稳定，避免在气泡吸收板18下方有较大波动。

每个试验均重复多次，并让多人进行识别，成功次数取其平均值。最终，对50个目标气泡的识别成功率如表1所示。

表1不同试验中气泡识别成功率

试验方案	平均成功次数	平均失败次数	平均成功率
				试验A	42.8	7.2	85.6％
试验B	36.5	13.5	73.0％
				试验C	42.0	8.0	84.0％
试验D	36.2	13.8	72.4％
				试验E	14.5	35.5	29.0％
试验F	8.4	41.6	16.8％
				试验G	45.4	4.6	90.8％

注：由于采用多人平均数，因此成功次数、失败次数均存在小数位。

由此表明，将调节气泡吸收板18的底面高度在进水箱中液面以上1～2mm处，能够有效地消除漂浮于液面上方的气泡。

当底面紧贴液面或者伸入液面时，由于水流存在一定的波动，因此气泡吸收板18上的吸附材料是不断在吸水的，立即会达到吸水饱和。而此时，当后续气泡到达此处时，其并不能立即被吸附或者破裂，反而会在水流推动下从气泡吸收板18下方绕过继续进入实验区域。当气泡吸收板18距离液面过高时，基本上无法起到消除气泡的作用，因此试验E的效果也不好。而不添加表明活性剂的气泡，虽然也能够在水中形成悬浮气泡，但其在流动过程中无法长时间维持，容易付出水面破裂，从而导致识别失败。对于试验G而言，网格板能够在水流进入气泡吸收板18之前就进行稳定，从而避免水流经常碰到气泡吸收板18下缘，导致其吸附饱和。但网格板的孔径不能过小，至少为气泡直径的2倍及以上，否则会将大部分悬浮气泡均阻挡在板的一侧。

在另一实施例中，如图5所示，试验槽17一侧铰接固定于水平平台上，另一侧底部设置有用于改变试验槽17坡度角的升降机13。试验槽17侧壁上固定有坡度指示针14，坡度指示针14随试验槽17的坡度角变化而发生位移。在坡度指示针14的针头附近设置有一条标有连续刻度的刻度尺15，可以根据刻度来换算其坡度、雷诺数等参数。若要观察不同流速下的流态变化，则使用升降机13进行坡度调节。

以上所述的实施例只是本发明的几种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种质点迹线跟踪显示实验装置，其特征在于，包括蓄水箱（1）、水泵（2）、气泵（4）、变频气泡发生器（8）、旁通管道（9）、平面光源（10）、试验槽（17）、气泡吸收板（18）、前导流槽（19）、底板（20）、高速相机（21）、后导流槽（26）和出液口（27）；蓄水箱（1）通过管道与水泵（2）的进水口相连，从水泵（2）出水口接出的管路通过二位三通阀（11）分为两条支路，变频气泡发生器（8）设置于其中一条支路上，且变频气泡发生器（8）前端通过输气管连接有气泵（4）；而另一条支路作为旁通管道（9）；两条支路均连接至试验槽（17）的进水箱；试验槽（17）的进水箱与实验区域之间布设有用于稳定水流的前导流槽（19），气泡吸收板（18）设置于前导流槽（19）前端，且所述的气泡吸收板（18）在试验槽（17）中具有上下移动的自由度；所述的试验槽（17）中开设有两条纵向的卡槽，所述的气泡吸收板（18）通过卡槽配合固定，实现高度调节；所述气泡吸收板（18）的底面位于所述进水箱中液面以上1~2mm处；所述的气泡吸收板（18）表面覆盖有吸水性材料，用于去除与其接触的气泡；

试验槽（17）的实验区域中设置有用于固定实验模型（22）的固定件；试验槽（17）的底板（20）透光且底板（20）下方安装有平面光源（10）；试验槽（17）的实验区域后端依次安装后导流槽（26）和出液口（27）；高速相机（21）架设于试验槽（17）的实验区域上方。

2.如权利要求1所述的质点迹线跟踪显示实验装置，其特征在于，所述的底板（20）采用透光材料，且底板（20）与平面光源（10）之间铺设有柔光膜。

3.如权利要求1所述的质点迹线跟踪显示实验装置，其特征在于，所述的水泵（2）出水口处设置有液体流量计（3），所述的气泵（4）出气口处设置有气体流量计（5）。

4.如权利要求1所述的质点迹线跟踪显示实验装置，其特征在于，所述的试验槽（17）一侧铰接固定于水平平台上，另一侧底部设置有用于改变试验槽（17）坡度角的升降机（13）；试验槽（17）侧壁上固定有坡度指示针（14），坡度指示针（14）随试验槽（17）的坡度角变化而发生位移，在坡度指示针（14）的针头附近设置有一条标有连续刻度的刻度尺（15）。

5.如权利要求1所述的质点迹线跟踪显示实验装置，其特征在于，所述的变频气泡发生器（8）由与其相连的PMW变频器（7）控制。

6.一种利用如权利要求1所述实验装置的质点迹线跟踪显示方法，其特征在于，步骤如下：

S1：向蓄水箱（1）中的水中掺入表面活性剂并混合均匀；

S2：将实验模型（22）固定于试验槽（17）的实验区域中，并开启平面光源（10）；

S3：将试验槽（17）的坡度角调节至目标角度；

S3：调节二位三通阀（11），使旁通管道（9）关闭而另一支路连通；开启水泵（2），并调节至目标流量，待所述进水箱中液面稳定后，调节气泡吸收板（18）的底面高度，使其位于进水箱中液面以上1~2mm处；

S4：开启气泵（4）和变频气泡发生器（8），向水中掺入气泡，当实验区域中的流体流动稳定后，利用高速相机（21）以预定的间隔连续拍摄实验区域中实验模型（22）周边流场的照片；

S5：从拍摄时间段内的第一张照片中选择目标气泡并提取其当前位置，然后从后续的照片中识别出同一目标气泡的位置，将各位置按顺序衔接后即得到该气泡所代表的质点迹线。

7. 利用如权利要求6所述的质点迹线跟踪显示方法，其特征在于，所述的变频气泡发生器（8）产生的气泡粒径控制在1~2 mm。