CN109307648B - 一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量非规则颗粒阻力系数的实验方法，主要包括偏心拼接的非规则沉降颗粒、沉降容器、光学拍摄系统、物性测量系统等。本发明采用两种不同密度的材料拼接成非均匀的颗粒，通过调整两种材料的体积比例，使得颗粒在沉降实验中受到偏心力矩作用保持姿态角固定。采用高速摄影仪记录非均匀颗粒在不同粘度的溶液介质中释放的自由沉降过程，通过相应的算法对非均匀颗粒的沉降速度和沉降轨迹进行分析，获得非规则的颗粒在特定姿态角下的阻力系数。该设计方法通用、有效且易于操作，适用于多种不规则形状颗粒在特定姿态角下的阻力系数测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量特定姿态角下非规则颗粒阻力系数的实验方法。
背景技术
颗粒两相流运动广泛存在于自然界和工程应用中，在人类的生活和工业生产中发挥重要作用。在自然界中，沙尘暴、雾霾、河流中的泥沙沉积等现象均涉及到两相流问题。在航空领域，直升机涡轴发动机的砂尘防护同样涉及到颗粒在气流中的运动。当直升机在草原、沙漠、雪地等野外场地实现起降或者低空悬停时，旋翼下洗气流会卷起地面的冰雪、砂尘等异物颗粒，这些异物颗粒被发动机吞入后对其高效安全工作产生了很大危害，为此对发动机采取必要的进气防护措施很有必要。
目前在直升机上广泛使用的进气防护装置为惯性式粒子分离器。其工作的基本原理为利用砂尘与空气之间的密度差异，利用惯性力将密度相对较高的砂尘甩至外侧流道，从而实现洁净空气与砂尘的分离。在现有的粒子分离器设计过程中，通常将砂尘颗粒简化为圆球，这种做法忽略了气流攻角、砂尘形状、颗粒旋转对砂尘在流道中运动轨迹的影响，与真实工作情况存在着很大差异。因此，研究非规则砂尘的气动力特性，建立准确的气动力系数经验公式，成为砂尘运动轨迹预测的关键。考虑到气动力经验公式的建立需要大量的数据点，研究过程中主要采用计算机软件对颗粒的气动特性进行计算。为了验证仿真软件得到的阻力系数的正确性，进一步补充数据点，同时研究真实情况下颗粒在流体介质中的运动特性，需要对颗粒进行沉降实验测试，从而获得颗粒在不同雷诺数下对应的沉降阻力系数。
不同的气流攻角下，砂尘颗粒的迎风面积发生变化，阻力系数也随之改变。以往的沉降实验中多采用单一材质制作的颗粒，无法抑制因颗粒尾流流动分离导致的非定常气动力导致的摆动，因此在实验过程中颗粒会出现摇晃等不稳定运动或者以随机角度沉降。因此，发展一种测量固定姿态角阻力系数的实验方法十分必要。
发明内容
发明目的，提供一种测量固定姿态角阻力系数的实验方法。
为达到上述目的，本发明测量非规则颗粒阻力系数的实验方法可采用如下技术方案：
一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法，
包括如下步骤：
(1)密度不均匀的偏心颗粒制备；
(1a)根据测量需求，将被测量的偏心颗粒(1)分为拼接材料A、拼接材料B两部分，每一部分由密度不相同的材料制成。
(1b)通过调整两部分材料的体积比，获得测量需要的沉降角度，即偏心颗粒的沉降姿态角；
(2)在沉降容器内放置沉降实验用甘油-水溶液；
(3)测量沉降溶液粘度；
(4)偏心颗粒释放及沉降轨迹记录；
(4a)将偏心颗粒以确定的姿态角浸入沉降实验用溶液，并使偏心颗粒表面未附着任何气泡；
(4b)在溶液面下方释放偏心颗粒；
(4c)通过高速摄像机(5)记录偏心颗粒(1)在溶液中的运动轨迹；
(5)通过高速摄像机获得的沉降轨迹数据获得偏心颗粒在给定姿态角下的阻力系数；
(5a)通过高速摄像机记录的颗粒运动轨迹计算颗粒在稳定运动后的速度，并根据沉降实验用溶液的密度，计算偏心颗粒沉降运动的雷诺数；
偏心颗粒沉降运动的雷诺数的计算公式为
Re＝ρfuD/μ
其中ρf为沉降溶液的密度，u为偏心颗粒与流体的相对速度，D为偏心颗粒的等体积球直径，μ为沉降溶液的粘度；
(5b)根据偏心颗粒沉降运动参数代入阻力系数计算公式，获得确定姿态角和雷诺数下的偏心颗粒阻力系数；
偏心颗粒沉降过程稳定后的速度v，其计算公式为：
V＝Δl×f
其中Δl为高速摄像机拍摄的两张连续照片中偏心颗粒几何中心的位移，f 为高速摄像机的拍摄帧率；
通过高速摄像机拍摄的颗粒沉降轨迹计算阻力系数的公式为：
Cd为阻力系数，ρs为偏心颗粒密度，ρf为沉降溶液密度，g为重力加速度， D为偏心颗粒的等体积球直径，V为偏心颗粒的沉降末速度。
进一步的，偏心颗粒的颗粒质心与几何中心偏离，在溶液中沉降时存在偏心力矩，抑制方块沉降过程中出现的不稳定运动。
进一步的，步骤(1b)中，改变拼接材料A、拼接材料B两部分拼接面的角度，使得偏心颗粒的重心与几何中心的连线与偏心颗粒的中轴线成一夹角，即为方块的沉降姿态角，从而获得偏心颗粒在该沉降姿态角的角度下沉降的阻力系数。
进一步的，步骤(2)中，配比甘油-水溶液的方法为，
(2a)、所述甘油-水溶液由甘油和水按照比例在沉降容器内混合而成；
(2b)、为保证(2a)所述甘油-水溶液密度均匀，将一定量的水加入甘油后使用搅拌器搅拌约30分钟后，而后将沉降容器在恒温环境内静置24小时，保证容器内的甘油水溶液与室内温度达到热力平衡且无气泡；
(2c)、溶液静置时需要采用塑料膜将容器上端口密封以避免空气中的水蒸气与甘油-水溶液掺混影响粘度值。
进一步的，步骤(3)中，测量沉降溶液粘度的方法为；
(3a)由于甘油-水溶液粘度随温度变化剧烈，在沉降容器侧壁布置12个固定的铂热电阻(5)用于测量甘油-水溶液的流体温度。
(3b)记录每次沉降实验进行前的甘油-水溶液温度。
(3c)采用转子式粘度计测量甘油-水溶液的实际粘度，测量时使用恒温水浴槽使测量温度与实验过程中记录的温度相同。
进一步的，沉降容器(3)材料为高透光率的树脂玻璃，并在沉降容器相邻两侧面布置LED光源和柔光面板(6)。
进一步的，沉降容器底部设置有橡胶垫(7)以及纱网(8)，用于回收沉降实验完成后的非规则颗粒。
进一步的，高速摄像机布置于沉降容器一侧，并在实验前通过标定程序完成对捕捉画面的标定。
进一步的，步骤(1b)中，沉降角度由以下公式给出：
其中θ为沉降姿态角度，x0，y0为偏心颗粒的几何中心，xc，yc为偏心颗粒的重心，ρA为拼接材料A的密度，VA为拼接材料A的体积和xA为拼接材料A在典型 XY坐标系中沿沿X方向的坐标，yA为拼接材料A在上述典型XY坐标系中沿沿Y方向的坐标，xB，ρB为拼接材料B的密度，VB为拼接材料B的体积和xB为拼接材料B在上述典型XY坐标系中沿X方向的坐标，yB为拼接材料B在上述典型XY坐标系中沿Y方向的坐标。
有益效果：本发明提供了一种测量非规则颗粒阻力系数的实验方法，采用两种不同密度的材料拼接成非均匀的颗粒，通过调整两种材料的体积比例，使得颗粒在沉降实验中受到偏心力矩作用保持姿态角固定。采用高速摄影仪记录非均匀颗粒在不同粘度的溶液介质中释放的自由沉降过程，通过相应的算法对非均匀颗粒的沉降速度和沉降轨迹进行分析，获得非规则的颗粒在特定姿态角下的阻力系数。该设计方法通用、有效且易于操作，适用于多种不规则形状颗粒在特定姿态角下的阻力系数测量。
附图说明
图1为本发明使用的沉降实验装置的结构示意图。
图2为拼接偏心颗粒为方块时的三种拼接形态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明
本发明公开一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法。
该实验方法中采用的实验器材包括偏心拼装的非规则沉降颗粒(偏心颗粒)、装有特定粘度液体的沉降容器、光学拍摄系统、物性测量系统。偏心颗粒可由不同的材质与尺寸拼装而成，从而实现任意固定角度自由沉降。偏心颗粒的拼接材质包括：PVC、铝、黄铜、钢等。颗粒拼接形态为：上半部分为轻质材料，下半部分为不同材质的金属，由于密度不均匀使得偏心颗粒的质心与几何中心偏离，在溶液中沉降时存在偏心力矩，抑制偏心颗粒沉降过程中出现的不稳定运动。在沉降过程中偏心颗粒的重心与几何中心处于同一竖直方向时颗粒将以该稳定位置沉降，从而可以获得偏心颗粒在特定姿态角下的阻力系数。
沉降角度由以下公式给出：
其中θ为沉降姿态角度，x0，y0为偏心颗粒的几何中心，xc，yc为偏心颗粒的重心，ρA为拼接材料A的密度，VA为拼接材料A的体积和xA为拼接材料A在典型 XY坐标系中沿沿X方向的坐标，yA为拼接材料A在上述典型XY坐标系中沿沿Y方向的坐标，，xB，ρB为拼接材料B的密度，VB为拼接材料B的体积和xB为拼接材料B在上述典型XY坐标系中沿X方向的坐标，yB为拼接材料B在上述典型XY坐标系中沿Y方向的坐标。
加工时，上半部分由PVC材料3D打印而成，下半部分由金属材料磨削加工而成。在两部分的拼接面上均匀地涂抹胶水，尽量避免胶堆积在某处，减小拼接过程对偏心颗粒形状的影响。偏心颗粒压紧后胶水可能由拼接面漏出，为保证偏心颗粒型面光滑，提高实验精度，需要对偏心颗粒进行磨削精加工。
沉降容器的材质为高透光的树脂玻璃，为避免容器侧面对沉降结果带来较大影响，沉降容器横截面的特征尺寸大于非规则沉降颗粒特征尺寸的20倍。沉降容器底部设置有橡胶垫以及过滤纱网。橡胶垫用于缓冲方块颗粒对容器底部时的冲击，纱网则用于在实验过程中回收底部的偏心颗粒以重复利用。每次拉动纱网回收颗粒之后，应当停留10-15分钟，保证溶液重新恢复完全的静止状态再进行下次实验。在竖直方管的相邻两侧面分别布置LED光源和柔光面板，在另一侧布置一台高速摄影仪，并在实验前通过标定程序完成对捕捉画面的标定。高速摄影仪的拍摄区域距液面大于1m，确保偏心颗粒运动至该位置时，达到了沉降末状态，同时避免容器底面底面边界影响运动状态。
沉降介质为不同配置比例的甘油-水混合物以获得不同的溶液粘度，从而获得更宽的沉降雷诺数范围。由于甘油-水溶液粘度值对温度变化十分敏感，在沉降容器侧壁布置12个固定的铂热电阻监测溶液温度，使用一个可移动热电阻测量流场正中心温度以及室温。如果沿高度方向存在较大的温度梯度，流体内部由于对流导致的粘度变化会给实验结果带来很大偏差。为了减小该问题对实验结果准确度的影响，在实验过程中采用风扇带动室内空气流动，保证空气在高度方向上温度均匀分布。使用热电阻定期测量溶液温度，保证溶液沿高度方向上下温差不大于0.2℃，平均温度波动不超过0.2℃。采用转子式粘度计测量溶液的实际粘度，测量时使用恒温水浴槽确保测量温度与实验过程中记录的温度相同。
实验前，按照需要的浓度将不同体积的甘油与纯水倒入搅拌容器中，使用搅拌器充分搅拌，混合均匀。提前24小时将制备的甘油-水溶液装入沉降装置中，静置使溶液中掺混的气泡完全溢出，与室温达到热力平衡。静置时需要采用塑料膜对容器上端口进行密封，避免空气中的水蒸气与高浓度甘油溶液掺混影响粘度值。实验过程中，拼接方块应浸没于水面下方释放，释放前需要确保颗粒表面没有附着任何微小气泡。同一偏心颗粒的沉降实验重复三次，以减小实验的随机误差。
打开LED光源，调试好高速摄影仪进行拍摄。实验结束后，通过相应的算法对高速摄影仪录制的视频中运动偏心颗粒进行自动追踪和速度求解。摄影仪记录的视频为多帧连续图像，使用代码确定每张画面中方块颗粒的几何中心位置，几何中心在竖直方向上的位移量与两帧图像的时间间隔比值即为该区间内的平均沉降速度V，其计算公式为：
V＝Δl×f
其中Δl为高速摄像机拍摄的两张连续照片中颗粒几何中心的位移，f为高速摄像机的拍摄帧率。
通过高速摄像机拍摄的偏心颗粒沉降轨迹计算阻力系数的公式为：
Cd为阻力系数，ρs为偏心颗粒密度，ρf为沉降溶液密度，g为重力加速度， D为偏心颗粒的等体积球直径，V为颗粒的沉降末速度。
在以上实验方法的基础上，提供3个应用中的实施例以对该实验方法做进一步说明。
实施例1
一种测量非规则偏心颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法，主要包括偏心拼装的偏心颗粒、装有特定粘度液体的沉降容器、光学拍摄系统、物性测量系统。
沉降容器的材质为高透光的树脂玻璃，沉降容器底部设置有橡胶垫以及过滤纱网。橡胶垫用于缓冲偏心颗粒对容器底部时的冲击，纱网则用于在实验过程中回收底部的偏心颗粒以重复利用。每次沉降结束拉动纱网收回偏心颗粒之后，应当间隔10-15分钟，保证溶液重新恢复完全的静止状态再进行下次实验。在竖直方管的相邻两侧面分别布置LED光源和柔光面板，经过四面光学平面镜进行光线反射，在光线汇聚处布置一台高速摄影仪。高速摄影仪的拍摄区域选取在液面以下1m处，认为偏心颗粒运动至该位置时，已经达到了沉降末状态，且该位置距离容器底面较远，不会受到底面边界对运动状态的影响。
沉降介质为不同配置比例的甘油-水混合物以获得不同的溶液粘度，从而获得更宽的沉降雷诺数范围。由于甘油-水溶液粘度值对温度变化十分敏感，在沉降容器侧壁布置12个固定的铂热电阻监测溶液温度，使用一个可移动热电阻测量流场正中心温度以及室温。如果沿高度方向存在较大的温度梯度，流体内部由于对流导致的粘度变化会给实验结果带来很大偏差。为了减小改问题对实验结果准确度的影响，在实验过程中采用风扇带动室内空气流动，保证空气在高度方向上温度均匀分布。使用热电阻定期测量溶液温度，保证溶液沿高度方向上下温差不大于0.2℃，平均温度波动不超过0.2℃。使用热电阻定期测量溶液温度，保证溶液沿高度方向上下温差不大于0.2℃，平均温度波动不超过0.2℃。采用转子式粘度计测量溶液的实际粘度，测量时使用恒温水浴槽确保测量温度与实验过程中记录的温度相同。
为避免容器侧面对沉降结果带来较大影响，沉降容器横截面的特征尺寸大于非规则沉降颗粒特征尺寸的20倍。沉降容器为一个高度1m，横截面边长0.4m 的竖直方管，偏心颗粒为两种密度材质拼接而成的非均匀方块。方块的边长为16mm，上下两部分半部分均为长方柱，高度为8mm，拼接面与底面平行，拼接形态如图2(a)。上半部分材料为PVC，密度为1.38kg/m^3，下半部分的材料为铝，密度为2.75kg/m^3，重心与几何中心位于同一竖直线上。在实验中，不同的初始释放角度下该方块最终均以底面正对竖直方向沉降，与沉降姿态角计算公式得到的结果相符。
实施例2
一种测量非规则偏心颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法，主要包括偏心拼装的偏心颗粒、装有特定粘度液体的沉降容器、光学拍摄系统、物性测量系统。
为避免容器侧面对沉降结果带来较大影响，沉降容器横截面的特征尺寸大于偏心颗粒特征尺寸的20倍。沉降容器为一个高度1m，横截面边长0.4m的竖直方管，偏心颗粒为两种密度材质拼接而成的非均匀方块。方块的边长为20mm，上下两部分半部分均为梯形方柱，梯形截面长边15mm，短边5mm，拼接面与底面成一夹角，拼接形态如图2(b)。上半部分材料为PVC，密度为1.38kg/m^3，下半部分的材料为黄铜，密度为8.3kg/m^3，重心的位置位于几何中心斜下方。在实验中，不同的初始释放角度下该方块最终均以底面与竖直方向成20°左右沉降。
实施例3
一种测量非规则偏心颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法，主要包括偏心拼装的偏心颗粒、装有特定粘度液体的沉降容器、光学拍摄系统、物性测量系统。
为避免容器侧面对沉降结果带来较大影响，沉降容器横截面的特征尺寸大于非规则沉降颗粒特征尺寸的20倍。沉降容器为一个高度1m，横截面边长0.4m 的竖直方管，偏心颗粒为两种密度材质拼接而成的非均匀方块。方块的边长为 16mm，上下两部分半部分均为三棱柱，截面为等腰三角形，拼接面与底面成45°，拼接形态如图2(c)。上半部分材料为PVC，密度为1.38kg/m^3，下半部分的材料为钢，密度为7.73kg/m^3，重心与几何中心的连线与竖直方向成45°。在实验中，不同的初始释放角度下该方块最终均以底面与竖直方向成45°沉降。
Claims (9)
1.一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法，其特征在于，
包括如下步骤：
(1)密度不均匀的偏心颗粒制备；
(1a)根据测量需求，将被测量的偏心颗粒(1)分为拼接材料A、拼接材料B两部分，拼接材料A的材料密度与拼接材料B的材料密度不同；
(1b)通过调整两部分材料的体积比，获得测量需要的沉降角度，即偏心颗粒的沉降姿态角；
(2)在沉降容器内放置沉降实验用甘油-水溶液；
(3)测量沉降溶液粘度；
(4)偏心颗粒释放及沉降轨迹记录；
(4a)将偏心颗粒以确定的姿态角浸入沉降实验用溶液，并使偏心颗粒表面未附着任何气泡；
(4b)在溶液面下方释放偏心颗粒；
(4c)通过高速摄像机(5)记录偏心颗粒(1)在溶液中的运动轨迹；
(5)通过高速摄像机获得的沉降轨迹数据获得偏心颗粒在给定姿态角下的阻力系数；
(5a)通过高速摄像机记录的颗粒运动轨迹计算颗粒在稳定运动后的速度，并根据沉降实验用溶液的密度，计算偏心颗粒沉降运动的雷诺数；
偏心颗粒沉降运动的雷诺数的计算公式为
Re＝ρfuD/μ
其中ρf为沉降溶液的密度，u为偏心颗粒与流体的相对速度，D为偏心颗粒的等体积球直径，μ为沉降溶液的粘度；
(5b)根据偏心颗粒沉降运动参数代入阻力系数计算公式，获得确定姿态角和雷诺数下的偏心颗粒阻力系数；
偏心颗粒沉降过程稳定后的速度V，其计算公式为：
V＝Δl×f
其中Δl为高速摄像机拍摄的两张连续照片中偏心颗粒几何中心的位移，f为高速摄像机的拍摄帧率；
通过高速摄像机拍摄的颗粒沉降轨迹计算阻力系数的公式为：
Cd为阻力系数，ρs为偏心颗粒密度，ρf为沉降溶液密度，g为重力加速度，D为偏心颗粒的等体积球直径，V为偏心颗粒的沉降末速度。
2.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：偏心颗粒的颗粒质心与几何中心偏离，在溶液中沉降时存在偏心力矩，抑制方块沉降过程中出现的不稳定运动。
3.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：步骤(1b)中，改变拼接材料A、拼接材料B两部分拼接面的角度，使得偏心颗粒的重心与几何中心的连线与偏心颗粒的中轴线成一夹角，即为方块的沉降姿态角，从而获得偏心颗粒在该沉降姿态角的角度下沉降的阻力系数。
4.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：步骤(2)中，配比甘油-水溶液的方法为，
(2a)、所述甘油-水溶液由甘油和水按照比例在沉降容器内混合而成；
(2b)、为保证(2a)所述甘油-水溶液密度均匀，将一定量的水加入甘油后使用搅拌器搅拌约30分钟，而后将沉降容器在恒温环境内静置24小时，保证容器内的甘油-水溶液与室内温度达到热力平衡且无气泡；
(2c)、溶液静置时需要采用塑料膜将容器上端口密封以避免空气中的水蒸气与甘油-水溶液掺混影响粘度值。
5.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：步骤(3)中，测量沉降溶液粘度的方法为；
(3a)由于甘油-水溶液粘度随温度变化剧烈，在沉降容器侧壁布置12个固定的铂热电阻(5)用于测量甘油-水溶液的流体温度；
(3b)记录每次沉降实验进行前的甘油-水溶液温度；
(3c)采用转子式粘度计测量甘油-水溶液的实际粘度，测量时使用恒温水浴槽使测量温度与实验过程中记录的温度相同。
6.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：沉降容器(3)材料为高透光率的树脂玻璃，并在沉降容器相邻两侧面布置LED光源和柔光面板(6)。
7.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：沉降容器底部设置有橡胶垫(7)以及纱网(8)，用于回收沉降实验完成后的非规则颗粒。
8.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：高速摄像机布置于沉降容器一侧，并在实验前通过标定程序完成对捕捉画面的标定。
9.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：
步骤(1b)中，沉降角度由以下公式给出：
其中θ为沉降姿态角度，x0,y0为偏心颗粒的几何中心，xc,yc为偏心颗粒的重心，ρA为拼接材料A的密度，VA为拼接材料A的体积，xA为拼接材料A在典型XY坐标系中沿X方向的坐标，yA为拼接材料A在上述典型XY坐标系中沿Y方向的坐标，ρB为拼接材料B的密度，VB为拼接材料B的体积，xB为拼接材料B在上述典型XY坐标系中沿X方向的坐标，yB为拼接材料B在上述典型XY坐标系中沿Y方向的坐标。
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