CN108007669A - 一种实时追踪上浮气泡动态特性和流场特征的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种实时追踪上浮气泡动态特性和流场特征的装置。包括上浮气泡发生装置、跟踪气泡运动拍摄装置和氢气气泡产生与追踪装置，上浮气泡发生装置包括玻璃箱、气泵、集气漏斗和电解液，玻璃箱为方形双壁玻璃箱，双壁之间装满与玻璃箱中的电解液相同的电解液，跟踪气泡运动拍摄装置包括高速相机、雷达测速仪，高速相机安装在电控升降平台上，雷达测速仪通过信号转换装置、电动推杆调速器控制电控升降平台的电机，氢气气泡产生与追踪装置由阴极、阳极、直流电源、脉冲发生器、光电池和照明设备构成。本发明结构设计新颖，可操作性强，运行成本低，可以实现实时追踪上浮气泡动态特性及周围流场变化情况。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种追踪上浮气泡动态特性和流场特征的装置。
背景技术
目前，人们越来越重视利用气泡实验来研究气泡运动及其流场中的物理特性，在实验中气泡上浮运动速度较快，流场变化情况复杂，难以使用固定的高速相机捕捉到清晰的画面，现有技术中大都使用粒子图像测速法(PIV)追踪上浮气泡的动态特性和流场特征，但是该技术运行成本很高。另外，现有技术中大多利用溶液颜色来捕捉上浮气泡运动尾迹及周围流场信息，溶液颜色会遮盖住大量流场信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可操作性强、运行成本低，可以实现实时追踪上浮气泡动态特性及周围流场变化情况的实时追踪上浮气泡动态特性和流场特征的装置。
本发明的目的是这样实现的：包括上浮气泡发生装置和跟踪气泡运动拍摄装置，所述上浮气泡发生装置包括玻璃箱1、安装在玻璃箱底部的气泵2、罩在气泵上方的集气漏斗3和装在玻璃箱中的电解液13，所述跟踪气泡运动拍摄装置包括高速相机11，其特征是：所述玻璃箱1为方形双壁玻璃箱，方形双壁玻璃箱的双壁之间装满与玻璃箱中的电解液相同的电解液，所述跟踪气泡运动拍摄装置还包括设置在玻璃箱一侧的雷达测速仪14，高速相机11安装在电控升降平台12上，雷达测速仪通过信号转换装置6、电动推杆调速器15控制电控升降平台12的电机16，还包括由阴极10、阳极9、直流电源8、脉冲发生器7、光电池5和照明设备4构成的氢气气泡产生与追踪装置，与直流电源连接的阴极、阳极置于玻璃箱上部的电解液中，光电池和照明设备等高安装在玻璃箱的两侧，光电池控制脉冲发生器，脉冲发生器控制直流电源。
本发明还可以包括：
1、气泵2的出口上有三根不同直径的软管，各软管上带有阀门。
2、集气漏斗3上直管与气漏斗之间为活动连接，包括三根直径分别与气泵的出口上的三根软管的直径相对应的直管。
本发明提供了一种实时追踪上浮气泡动态特性和流场特征的系统，可以实现实时追踪上浮气泡的动态特性及周围流场情况。
本发明的结构特点在于：
(1)、气泵2将空气注入集气漏斗3内，产生上浮气泡，气泵2上有三根不同直径的软管，各软管上方附有阀门，通过开关阀门产生不同尺寸的气泡，通过调节气泵2的功率大小调节气体的流量，进而调节气泡的上升速度和气泡的产生量。
(2)、集气漏斗3倒置于方形双壁玻璃箱1中，集气漏斗3管径可以更换大小以配合气泵2产生的不同尺寸气泡，使集气漏斗3内气泡保持垂直上升状态一一通过集气漏斗3。
(3)、雷达测速仪14位于方形双壁玻璃箱1右方，略高于集气漏斗3，利用雷达测速原理测量上浮气泡的上升速度，并把速度信号传递给信号转换装置6。
(4)、信号转换装置6与电动推杆调速器15、雷达测速仪14相连接，接收雷达测速仪14的速度信号，并把速度信号转化为电信号传递给电动推杆调速器15，不同的速度信号对应不同的电信号。
(5)、电控升降平台12由伸缩杆、电动推杆调速器15、电机16组成，高速相机11放置在其上方使得高速相机11跟随其一起运动；电动推杆调速器15用来接收信号转换装置6中的电信号，不同的电信号对应电动推杆调速器15不同的输入电压进而对应伸缩杆不同的上升速度，最后使得电控升降平台12的上升速度与上浮气泡上升速度保持一致；电动推杆调速器15上有正转、反转按钮，点击正转按钮使电控升降平台12调为上升模式，点击反转按钮电控升降平台12会按照一定速度下降回到初始位置。
(6)、高速相机11放置在电控升降平台12上，通过电控升降平台12的升降，实时拍摄上浮气泡的动态特性及周围流场情况。
(7)、方形双壁玻璃箱1，两壁之间与内部均装填特定浓度的电解液13，以避免照明设备4产生的光线照射到光电池5过程中和高速相机11拍摄过程中发生光学畸变现象。
(8)、照明设备4为光电池5提供光能，照明设备4发出的光线为细长光路，照明设备4与光电池5相互配合达到传递开关信号的作用。
(9)、脉冲发生器7与直流电源8、光电池5相连接，当气泡通过照明设备4时，阻碍光线使光电池5停止运行，激发脉冲发生器7产生高压，提供给直流电源8。
(9)、直流电源8与阴极10、阳极9及电解液13形成电解池，当直流电源8产生直流电时，在电解池内电解水产生大量微小氢气气泡。
本发明利用电解水产生大量氢气气泡来观察上浮气泡动态特性和流场特征。电解水产生大量微小氢气气泡，漂浮于上浮气泡周围流场内，捕捉氢气气泡的分布就可达到捕捉周围流场信息的目的。因此，高速相机11可同时捕捉上浮气泡运动特性及流场特征。该系统结构设计新颖，可操作性强，运行成本低，可以实现实时追踪上浮气泡动态特性及周围流场变化情况等目的。
附图说明
图1是上浮气泡发生装置示意图；
图2是跟踪气泡运动拍摄装置示意图；
图3是氢气气泡追踪装置示意图；
图4是动态追踪系统整体示意图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
结合图1首先进行简要介绍系统内上浮气泡产生的方法。上浮气泡发生装置包括方形双壁玻璃箱1、气泵2、集气漏斗3、电解液13。集气漏斗3倒置沉浸在盛有特定浓度电解液13的方形双壁玻璃箱1内。通过气泵2往电解液13里注入空气产生气泡，并且可以通过开关三根不同直径的软管上的阀门产生不同尺寸的气泡，也可以通过调节气泵2的功率大小调节气体的流量，进而调节气泡的上升速率和气泡的产生量。气泡首先堆积在集气漏斗3内，集气漏斗3可以根据不同尺寸的气泡更换不同直径的开口，气泡继续上浮，由于集气漏斗3倒置所以气泡一一垂直上浮通过集气漏斗3。
结合图2对本发明的结构进行分析，说明跟踪气泡运动拍摄装置的原理。该装置包括信号转换装置6、电控升降平台12、高速相机11、雷达测速仪14、电动推杆调速器15、电机16。首先，高速相机11初始位置略高于集气漏斗3便于记录上浮气泡初始状态，雷达测速仪14利用雷达测速原理测得上浮气泡上升速度并把此信号传递给信号转换装置6，不同的速度信号对应不同的电信号。信号转换装置6将电信号传递给电控升降平台12中的电动推杆调速器15，电动推杆调速器15通过控制电控升降平台12中的伸缩杆实现平台的上升操作。不同的电信号对应电动推杆调速器15不同的输入电压，不同的输入电压对应着伸缩杆不同的速度，进而使电控升降平台12上升速度等于上浮气泡上升速度，这样高速相机11一边上升一边拍摄上浮气泡，达到实时追踪上浮气泡动态特性的目的；电动推杆调速器15上有正转、反转按钮，点击正转按钮使电控升降平台12调为上升模式，点击反转按钮电控升降平台12会按照一定速度下降回到初始位置；考虑到雷达测速仪14将速度信号经信号转换装置6传递给电动推杆调速器15及电机16从启动到达到所需上升速度这个过程中存在一定延迟，所以高速相机11的拍摄角度应适当调整以保证拍摄到上浮气泡。另外，上浮气泡上升速度的量级在厘米每秒级别而电控升降平台12的电动推杆调速器15的速度可以根据实验要求调整最大输入电压以配合上浮气泡的上升速度。
下面结合图3说明运用氢气气泡追踪技术捕捉上浮气泡尾迹及周围流场物理特性的原理。氢气气泡追踪装置包括照明设备4、光电池5、脉冲发生器7、直流电源8、阴极10、阳极9、电解液13。当上浮气泡经过照明设备4时，阻碍光线使其无法照射到光电池5上，电路关闭，激发脉冲发生器7产生高压传递给直流电源8。直流电源8、阳极9、阴极10、电解液13形成电解池，电解水产生大量微小氢气气泡，微小氢气气泡表面张力大，不易溶于上浮气泡这种大气泡，所以，当上浮气泡经过时，氢气气泡围绕在上浮气泡周围记录下流场信息，通过高速相机11拍摄到流场信息。
最后结合图4说明动态追踪装置整体布置情况。动态追踪装置包括上浮气泡发生装置、跟踪气泡运动拍摄装置和氢气气泡追踪装置。其中，上浮气泡发生装置、跟踪气泡运动拍摄装置、氢气气泡追踪装置的原理上文已详细说明，在此不再赘述。三种装置之间互相配合可以达到实现实时追踪上浮气泡动态特性及周围流场信息的目的。
Claims (3)
1.一种实时追踪上浮气泡动态特性和流场特征的装置，包括上浮气泡发生装置和跟踪气泡运动拍摄装置，所述上浮气泡发生装置包括玻璃箱(1)、安装在玻璃箱底部的气泵(2)、罩在气泵上方的集气漏斗(3)和装在玻璃箱中的电解液(13)，所述跟踪气泡运动拍摄装置包括高速相机(11)，其特征是：所述玻璃箱(1)为方形双壁玻璃箱，方形双壁玻璃箱的双壁之间装满与玻璃箱中的电解液相同的电解液，所述跟踪气泡运动拍摄装置还包括设置在玻璃箱一侧的雷达测速仪(14)，高速相机(11)安装在电控升降平台(12)上，雷达测速仪通过信号转换装置(6)、电动推杆调速器(15)控制电控升降平台(12)的电机(16)，还包括由阴极(10)、阳极(9)、直流电源(8)、脉冲发生器(7)、光电池(5)和照明设备(4)构成的氢气气泡产生与追踪装置，与直流电源连接的阴极、阳极置于玻璃箱上部的电解液中，光电池和照明设备安装在玻璃箱的两侧，光电池控制脉冲发生器，脉冲发生器控制直流电源。
2.根据权利要求1所述的实时追踪上浮气泡动态特性和流场特征的装置，其特征是：气泵(2)的出口上有三根不同直径的软管，各软管上带有阀门。
3.根据权利要求2所述的实时追踪上浮气泡动态特性和流场特征的装置，其特征是：集气漏斗(3)上直管与气漏斗之间为活动连接，包括三根直径分别与气泵的出口上的三根软管的直径相对应的直管。
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