CN108593254B - 一种基于piv技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，它包括固定模板以及实验水槽，在固定模板上设置有激光器，在激光器的激光发射端至实验水槽之间依次设置柱透镜、角度调节器，在实验水槽中设置有摄像机以及第一电动机，在第一电动机的转轴端设置有叶片。本发明的目的是要解决现有技术无法很便捷的测出水中漩涡涡流的强度以及旋度的技术问题。

Description

一种基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置
技术领域
本发明属于PIV技术领域，具体涉及利用粒子追踪、粒子轨迹及其粒子在涡流区域的螺旋运动。
背景技术
我们理解的水中漩涡产生是由于局部阻力扰乱了水流的正常流动，从而致使局部范围内水流流态发生改变，但是这种涡流产生的强度和旋度测量以及在区域中的分布情况很难由现代的设备所测出。针对水中漩涡中的涡流，提供了一种对水中涡流的完整测量的方法。本方法依靠PIV可以精确地测量三维涡流中任意平面上粒子流动状态下产生的局部强度以及旋度，是一种新的分析涡流的方法。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术无法很便捷的测出水中漩涡涡流的强度以及旋度的技术问题。
发明的目的是这样实现的：
一种基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，它包括固定模板以及透明实验水槽，在固定模板上设置有激光器，在激光器的激光发射端至透明实验水槽之间依次设置柱透镜、角度调节器，在透明实验水槽上设置有摄像机以及第二电动机，在第二电动机的转轴端设置有叶片。
上述柱透镜通过调节机构设置在固定模板上。
上述调节机构包括相互平行的限位板以及第二电动机，第二电动机的驱动轴与限位板连接。
上述激光器的激光发射端与柱透镜之间设置有激光加强器。
上述激光器通过激光固定器与固定模板连接。
采用所述装置测量涡流强度和旋度时，采取以下步骤：
1）在固定模板上安装激光器；
2）将柱透镜和第一电动机连接好之后，调节好柱透镜与电动机之间的距离；
3）将片光源的角度调节器与柱透镜之间的距离调节好；
4）在透明实验水槽底部贴上防水的坐标网格纸，用纯净水将透明的实验水槽洗干净；
5）将第二电动机与实验玻璃水槽组装好之后，在第二电动机的转轴上安装叶片；
6）固定死实验水槽，调节左侧的激光组合装置，将激光组合装置和实验水槽间的距离调到最佳；
7）往实验水槽中加水；
8）打开所有电动机和激光装置，调好摄像机试运行一段时间，待水面规律性涡流后，将粒子放入。
在步骤1）中，首先在固定模板上装上激光固定器和激光加强器，再将激光器放入激光固定器的固定套中并调节好激光器和激光加强器。
在步骤7）中，往实验水槽中加入不含矿物质的纯净水，加至实验水槽的六分之三至六分之五之间停止。
采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
本发明能很好的模拟形成水中漩涡，并对漩涡中涡流的强度和旋度进行便捷的测量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是在本发明装置中粒子的完整测量流程示意图。
图2是利用PIV系统测量粒子轨迹和螺旋性测量的装置示意图。
图3是单个粒子在涡流区的运动示意图。
图4是片光源条件下粒子的运动情况示意图。
图5是粒子自身受到扰动的示意图。
具体实施方式
如图1至图2所示，一种基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，它包括固定模板1以及透明实验水槽9，在固定模板1上设置有激光器3，在激光器3的激光发射端至透明实验水槽9之间依次设置柱透镜5、角度调节器8，在透明实验水槽9上设置有摄像机10以及第二电动机13，在第二电动机13的转轴端设置有叶片11。
所述柱透镜5通过调节机构设置在固定模板1上。
所述调节机构包括相互平行的限位板12以及第二电动机13，第二电动机13的驱动轴与限位板12连接。
所述激光器3的激光发射端与柱透镜5之间设置有激光加强器4。
所述激光器3通过激光固定器2与固定模板1连接。
因为粒子不仅受涡流的影响做螺旋运动，而且粒子受到水流的碰撞和摩擦自身也产生转动，首先，分析涡流区域的螺旋运动，可知涡流区域中初始的速度值最大；而且在整个的运动过程中粒子的速度是随时间逐渐减小的，也就是说初始的运动速度大，故螺旋运动的距离比较远，到后面螺旋运动在阻力的作用下逐渐被压缩，当粒子在三维空间上的速度所产生的压力不能克服水体压力和阻力的时候，此时趋于一个二维平面上的离心运动（此时粒子不再向Z方向移动），在这个二维平面上粒子只受XOY平面上的这水平阻力和此时深度上的压力，驱使粒子在二维平面上做离心运动，当粒子自转的能量不能克服二维平面上的所有阻力时，它的离心运动会逐渐趋于静止，这就是粒子自旋运动时的完整轨迹。
因此涡流中的水分子不止进行水流的趋势运动，而且水分子还进行自身的旋转运动具体的旋转，故水中粒子在三维状态下也存在两种运动形式。
采用所述装置测量涡流强度和旋度时，采取以下步骤：
1）在固定模板1上安装激光器3；
2）将柱透镜5和第一电动机6连接好之后，调节好柱透镜与电动机之间的距离；
3）将片光源的角度调节器8与柱透镜5之间的距离调节好；
4）在透明实验水槽9底部贴上防水的坐标网格纸，用纯净水将透明的实验水槽9洗干净；
5）将第二电动机13与实验玻璃水槽组装好之后，在第二电动机13的转轴上安装叶片11；
6）固定死实验水槽，调节左侧的激光组合装置，将激光组合装置和实验水槽间的距离调到最佳；
7）往实验水槽中加水；
8）打开所有电动机和激光装置，调好摄像机试运行一段时间，待水面规律性涡流后，将粒子放入。其中，光源7 在角度调节器8 前端和后端分为前光源和后光源。
在步骤1）中，首先在固定模板1上装上激光固定器2和激光加强器4，再将激光器3放入激光固定器2的固定套中并调节好激光器3和激光加强器4。
在步骤7）中，往实验水槽中加入不含矿物质的纯净水，加至实验水槽的六分之三至六分之五之间停止。
进一步， 使其像素达到最高帧率@最大像素3750fps@1280*1024，使其与电动机频率尽量一致从而减小误差。
进一步，所有系统试运行一段时间后，将摄像机垂直安装在涡流区域的上部，完成后打开摄像机（IDT Y3）将拍摄区域对准；
进一步，都趋于稳定状态后将水槽上的电动机关闭，此时将空心的玻璃珠（SiO2）粒子投入到涡流区域中。
进一步，要得到粒子的速度，通过坐标网格上的位移和摄像机的帧率计算出粒子的速度，以涡流中的一小部分为例，基于拉格朗日坐标下分析XOY坐标平面。在XOY平面上的合速度为：；
进一步，因为摄像机只拍摄XOY平面，所以对于YOZ平面利用散射出的片光源间的距离来推算，计算方法同理于XOY平面 则
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
进一步，然后将PIV得到粒子图导入到PIV-lab中进行分析，最后与上一步进行两者对比减小误差。
进一步，则粒子的三维空间上的速度为：V （u是代表x轴方向的速度，v代表y轴方向的速度，w代表z轴方向的速度）。
进一步，通过柱透镜将XOZ分割为数个二维的平面，接下来对水中粒子进行无因次分析，因此本发明采用一台摄像机，以垂直于XOY 平面拍摄，利用相机的帧率及电动机的转速计算出片光源之间的距离，近一步分析可以得出粒子在YOZ平面的位移情况以及在YOZ平面上的运行最大深度。
进一步，分析粒子在整个涡流区域的运动情况，由起点速度公式可知粒子的螺旋运动在每一时刻的速度值，可得粒子在每一时刻的三维转动角度：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
进一步，求出在XOY平面上的压力值：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；YOZ平面上的压力值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；当达到某一时刻
Figure DEST_PATH_IMAGE007
就会衰减到零，接着是
Figure DEST_PATH_IMAGE008
衰减到零，直至最后停止。

Claims (7)

1.一种基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，其特征在于：它包括固定模板（1）以及透明实验水槽（9），在固定模板（1）上设置有激光器（3），在激光器（3）的激光发射端至透明实验水槽（9）之间依次设置柱透镜（5）、角度调节器（8），在透明实验水槽（9）上设置有摄像机（10）以及第二电动机（13），在第二电动机（13）的转轴端设置有叶片（11）；
采用所述装置测量涡流运动情况时，采取以下步骤：
1）在固定模板（1）上安装激光器（3）；
2）将柱透镜（5）和第一电动机（6）连接好之后，调节好柱透镜与电动机之间的距离；
3）将片光源的角度调节器（8）与柱透镜（5）之间的距离调节好；
4）在透明实验水槽（9）底部贴上防水的坐标网格纸，用纯净水将透明的实验水槽（9）洗干净；
5）将第二电动机（13）与实验玻璃水槽组装好之后，在第二电动机（13）的转轴上安装叶片（11）；
6）固定死实验水槽，调节左侧的激光组合装置，将激光组合装置和实验水槽间的距离调到最佳；
7）往实验水槽中加水；
8）打开所有电动机和激光装置，调好摄像机试运行一段时间，待水面规律性涡流后，将粒子放入；
9）所有系统试运行一段时间后，将摄像机垂直安装在涡流区域的上部，完成后打开摄像机将拍摄区域对准；
10）在趋于稳定状态后，将水槽上的电动机关闭，此时将空心的玻璃珠粒子投入到涡流区域中；
11）得到粒子的速度，通过坐标网格上的位移和摄像机的帧率计算出粒子的速度，在涡流中的一小部分中，基于拉格朗日坐标下分析XOY坐标平面，在XOY平面上的合速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
12）对于YOZ平面利用散射出的片光源间的距离来推算，在YOZ平面上的合速度为：
Figure 417416DEST_PATH_IMAGE002
；
13）则粒子的三维空间上的速度为：V
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，u是代表x轴方向的速度，v代表y轴方向的速度，w代表z轴方向的速度。
2.根据权利要求1所述的基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，其特征在于：所述柱透镜（5）通过调节机构设置在固定模板（1）上。
3.根据权利要求2所述的基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，其特征在于：所述调节机构包括相互平行的限位板（12）以及第二电动机（13），第二电动机（13）的驱动轴与限位板（12）连接。
4.根据权利要求1所述的基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，其特征在于：所述激光器（3）的激光发射端与柱透镜（5）之间设置有激光加强器（4）。
5.根据权利要求1至4其中之一所述的基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，其特征在于：所述激光器（3）通过激光固定器（2）与固定模板（1）连接。
6.根据权利要求1所述一种基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，其特征在于，在步骤1）中，首先在固定模板（1）上装上激光固定器（2）和激光加强器（4），再将激光器（3）放入激光固定器（2）的固定套中并调节好激光器（3）和激光加强器（4）。
7.根据权利要求6所述一种基于PIV技术追踪测量粒子轨迹和涡流强度的装置，其特征在于，在步骤7）中，往实验水槽中加入不含矿物质的纯净水，加至实验水槽的六分之三至六分之五之间停止。
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