CN109974969B - 一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置及其测速方法 - Google Patents
一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置及其测速方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及到一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置及其测速方法，包括角度盘、圆形铜管、壁面、蓄水池、磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、水槽、联接软管、计算机、同步仪、激光器、片光源及CCD相机；壁面设置于钢化玻璃水槽内，蓄水池依次经磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、联接软管与圆形铜管贯通连接，圆形铜管一端与联接软管贯通，另一端置于水槽内的壁面上方；蓄水池内的水依次穿过磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、联接软管、圆形铜管，并从圆形铜管射出，冲击到壁面上，形成整个冲击射流的流场。本发明结构简单、设计合理，能够全面地研究雷诺数、冲击角度、冲击距离及脉冲周期对流场中各种流动特征的影响规律。
Description
技术领域
本发明涉及到一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置及其测速方法，主要用于脉冲式淹没冲击射流内部流动的速度测量。
背景技术
粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，以下简称PIV）技术是上个世纪八十年代发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。PIV测速的原理十分简单，它是通过测量某一时间间隔（ΔT）示踪粒子移动的距离来计算出粒子的瞬时速度。PIV技术的特点是超出了单点测速技术的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性，因此在流场的内部流动测量中得到广泛应用。
冲击射流是指自由射流对固体壁面或者液体壁面的冲击流动，在众多工程技术领域亦得到广泛的应用。在水利水电泄水工程中，高水头拱坝的孔口水流跌入水垫塘、泄洪洞或溢洪道等泄水建筑物的出口挑出的空中水舌冲击下游河道就是典型的冲击射流现象。此外，在航道疏浚工程中的边抛排泥、射流冲沙，工业油罐灌底的油泥清淤，航空航天领域中飞行器及航天器起飞或着陆时的喷射气流冲击地面，材料加工处理方面的射流切割及喷涂，动力机械方面的射流泵、汽轮机，工程热物理方面的燃烧室及各种喷洒设备，均是典型的冲击射流问题。目前，传统的冲击射流PIV实验台具有以下特点：按照冲击角度（射流轴线与冲击壁面的夹角）的不同，冲击射流可以分为竖直冲击射流与斜向冲击射流，由于竖直冲击射流的实验装置及流动相对简单，大部分冲击射流PIV实验台针对于竖直冲击射流；少部分斜向冲击射流PIV实验台，其冲击角度固定不变，无法进行不同冲击角度的冲击射流PIV实验；过去冲击射流PIV实验仅针对连续冲击射流，没有考虑到脉冲冲击射流的因素。刘沛清的论文“高坝下游水垫塘内淹没冲击射流实验”（1998）、章蔚红等人的论文“利用PIV技术对淹没射流瞬时流场特性的研究”（2004）及刘昭等人的论文“利用PIV技术对淹没射流瞬时流场特性的研究”（2015）所进行的淹没式冲击射流PIV实验具备上述2，3特点。
经检索，目前还没有关于脉冲式淹没冲击射流PIV实验的专利。
发明内容
为了研究脉冲式淹没冲击射流的瞬态流动结构，本发明提供了一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置及其测速方法，该发明可以全面地研究雷诺数、冲击角度、冲击距离及脉冲周期对流场中各种流动特征及涡旋结构的影响规律。
本发明的目的是这样实现的，一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，包括角度盘、圆形铜管、壁面、蓄水池、磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、水槽、联接软管、计算机、同步仪、激光器、片光源及CCD相机；所述水槽为透明水槽，壁面为透明壁面；
所述角度盘固定于支撑架上；所述圆形铜管与角度盘可拆卸式固定，且圆形铜管在角度盘上角度可调节；
所述壁面设置于钢化玻璃水槽内，蓄水池依次经磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、联接软管与圆形铜管贯通连接，圆形铜管一端与联接软管贯通，另一端置于水槽内的壁面上方；蓄水池内的水依次穿过磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、联接软管、圆形铜管，并从圆形铜管射出，冲击到壁面上，形成整个冲击射流的流场；
所述计算机、同步仪、激光器、片光源依次连接，计算机、同步仪、激光器、片光源与CCD相机组成整个PIV拍摄系统；其中，计算机控制激光器发射激光，计算机控制CCD相机进行拍摄，而同步仪同步激光器的发射时间与CCD相机的拍摄时间，激光器发射的激光通过片光源形成片光；
所述片光源置于水槽的底部，片光源可向上发射激光，激光穿过从圆形铜管射出的射流中截面；CCD相机置于水槽的侧面，并平行于从圆形铜管射出的射流中截面。
所述壁面为有机玻璃壁面。
所述水槽为钢化玻璃水槽，水槽为方形。
所述水槽设置于蓄水池的上方，水槽的侧壁上部设有溢水口，溢水口上设有下闸门，溢水口位于蓄水池的上方。
所述角度盘的形状为1/4圆形，所述角度盘上设有中心孔、7个边孔，中心孔设置于角度盘的直角处，7个边孔设置于角度盘的弧形边处，中心孔与7个边孔的连线形成7条相互之间间隔15度的线段；
所述中心孔以及每个边孔两侧均添加2个小孔，中心孔两侧的2个小孔以及边孔两侧的2个小孔可安装固定件，圆形铜管通过固定件紧贴着固定在角度盘上，通过圆形铜管固定于不同的边孔上，实现调整圆形铜管的角度，从而调整冲击射流的冲击角度。
所述圆形铜管为可拉伸式圆形铜管。
所述脉冲发生器用于形成不同频率的脉冲射流。
所述角度盘在支撑架上可上下移动。
所述CCD相机在水槽内可平移。
一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置进行测速的方法，其特征是，
A、首先将圆形铜管在角度盘上调整好角度，并固定在角度盘上；壁面放置在水槽中，圆形铜管置于壁面上方；在水槽中加入带有示踪粒子的水；启动磁力泵，蓄水池内的水依次穿过磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、联接软管、圆形铜管，并从圆形铜管射出，冲击到壁面上，形成整个冲击射流的流场；
B、片光源位于水槽底部的中截面上，并向上垂直发射两道时间间隔为ΔT的激光；
C、把CCD相机置于水槽的侧面并平行于射流中截面，对准射流中截面后利用示踪粒子在激光区域的曝光作用，记录两道激光粒子曝光时的图像，形成两幅粒子分布图片；
D、通过示踪粒子在两幅照片（图片）的位移差与时间差算出射流中截面流场的速度方向和大小；
E、由于CCD相机每次拍摄的区域有限，通过平移CCD相机可以将多次拍摄的区域合成一个较大的区域。
本发明结构合理、生产制造容易、使用方便，通过本发明，该实验装置是由角度盘、圆形铜管、壁面、蓄水池、磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、水槽、联接软管及PIV测量装置等部件组成，射流从圆形铜管射出，冲击在壁面上，形成整个冲击射流的流场。本发明重要内容之一，方形水槽采用钢化玻璃制造，壁面采用有机玻璃制造，不仅可以保证实验装置的强度要求，还可以减少激光折射带来的误差。本发明重要内容之二，角度盘为一个1/4圆形有机玻璃板上凿出1个中心孔及7个边孔，中心孔与边孔的连线形成7条相隔15度的线段，每个中心孔及边孔两侧各添加2个小孔，以便在中心孔及边孔边位置处加上固定件，迫使铜管紧贴着玻璃板并通过任意线段，从而调整冲击射流的冲击角度；此外，可以通过拉伸铜管或者上下调整角度盘的高度来调整铜管出口与壁面的冲击距离。本发明重要内容之三，本实验采用的是脉冲发生器，可以控制的开启时间及关闭时间，从而形成不同频率的脉冲射流，为了消除泵自身压力脉动带来的脉冲干扰，本实验采用基本不会产生压力脉动的磁力泵作为动力源。本发明重要内容之四，本实验的拍摄区域为冲击射流的中截面，该区域集中了冲击射流的主要流动特征，包括冲击射流的形成及分离、边界层的发展等等，为了拍摄该区域，将片光源置于水槽的底部并向上发射穿过射流中截面的激光，同时把CCD相机置于水槽的侧面并平行于射流中截面，由于CCD相机每次拍摄的区域有限，通过平移CCD相机可以将多次拍摄的区域合成一个较大的区域。
本发明的有益结果是：可以通过PIV实验全面地研究雷诺数、冲击角度、冲击距离及脉冲周期对流场中各种流动特征的影响规律。
附图说明
图1是本发明的主视方向结构示意图。
图2是本发明的俯视方向结构示意图。
图中：1角度盘、2圆形铜管、3壁面、4下闸门、5蓄水池、6磁力泵、7流量计、8闸阀、9脉冲发生器、10水槽、11联接软管、12计算机、13同步仪、14激光器、15片光源、16CCD相机。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行详细描述。
一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，包括角度盘1、圆形铜管2、壁面3、蓄水池5、磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、水槽10、联接软管11、计算机12、同步仪13、激光器14、片光源15及CCD相机16；水槽10为透明水槽，壁面3为透明壁面。
角度盘1固定于支撑架上，角度盘1在支撑架上可上下移动，可以将支撑架设计为高度可调节式的支撑架。圆形铜管2与角度盘1可拆卸式固定，且圆形铜管2在角度盘1上角度可调节。
壁面3设置于钢化玻璃水槽10内，蓄水池5依次经磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、联接软管11与圆形铜管2贯通连接，圆形铜管2一端与联接软管11贯通，另一端置于水槽10内的壁面3上方；蓄水池5内的水依次穿过磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、联接软管11、圆形铜管2，并从圆形铜管2射出，冲击到壁面3上，形成整个冲击射流的流场。
计算机12、同步仪13、激光器14、片光源15依次连接，计算机12、同步仪13、激光器14、片光源15与CCD相机16组成整个PIV拍摄系统。
片光源15置于水槽10的底部，片光源15可向上发射激光，激光穿过从圆形铜管2射出的射流中截面；CCD相机16置于水槽10的侧面，并平行于从圆形铜管2射出的射流中截面。
进一步的，壁面3为有机玻璃壁面。水槽10为钢化玻璃水槽，水槽10为方形。水槽10设置于蓄水池5的上方，水槽10的侧壁上部设有溢水口，溢水口上设有下闸门4，溢水口位于蓄水池5的上方。
其中，角度盘1的形状为1/4圆形，所述角度盘1上设置有中心孔、7个边孔，中心孔设置于角度盘1的直角处，7个边孔设置于角度盘1的弧形边处，中心孔与7个边孔的连线形成7条相互之间间隔15度的线段；中心孔以及每个边孔两侧均添加2个小孔，中心孔两侧的2个小孔以及边孔两侧的2个小孔可安装固定件，圆形铜管2通过固定件紧贴着固定在角度盘1上，通过圆形铜管2固定于不同的边孔上，实现调整圆形铜管2的角度，从而调整冲击射流的冲击角度。
圆形铜管2为可拉伸式圆形铜管。脉冲发生器9用于形成不同频率的脉冲射流。CCD相机16在水槽10内可平移。
一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置进行测速的方法为：
A、首先将圆形铜管2在角度盘1上调整好角度，并固定在角度盘1上；壁面3放置在水槽10中，圆形铜管2置于壁面3上方；在水槽10中加入带有示踪粒子的水，运转磁力泵6，排尽整个圆形铜管2、联接软管11中的空气；启动磁力泵6，蓄水池5内的水依次穿过磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、联接软管11、圆形铜管2，并从圆形铜管2射出，冲击到壁面3上，形成整个冲击射流的流场；
B、片光源15位于水槽10底部的中截面上，并向上垂直发射两道时间间隔为ΔT的激光；
C、把CCD相机16置于水槽10的侧面并平行于射流中截面，对准射流中截面后利用示踪粒子在激光区域的曝光作用，记录两道激光粒子曝光时的图像，形成两幅粒子分布图片；
D、通过示踪粒子在两幅图片的位移差与时间差算出射流中截面流场的速度方向和大小；
E、由于CCD相机16每次拍摄的区域有限，通过平移CCD相机16可以将多次拍摄的区域合成一个较大的区域。
闸阀8调整冲击射流的雷诺数Re，角度盘1与圆形铜管2调整冲击射流的冲击角度θ与冲击高度H，脉冲发生器9调整冲击射流的脉冲周期T；计算机12、同步仪13、激光器14、片光源15与CCD相机16组成整个PIV拍摄系统，激光通过片光源14射在整个冲击射流的中截面，通过侧面的CCD相机16进行拍摄；由于CCD相机16每次拍摄的区域有限，通过平移CCD相机16可以将多次拍摄的区域合成一个较大的区域。
在图1中，圆形铜管2固定在角度盘1上，有机玻璃的壁面3放置在钢化玻璃的水槽10中，水槽10中的水通过下闸门4流到蓄水池5里（打开下闸门4，水槽10中的水通过溢水口流到蓄水池5里），蓄水池5中的水经过磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、联接软管11流到圆形铜管2中，射流从圆形铜管2中射出，冲击到壁面3上，形成整个冲击射流的流场。闸阀8调整冲击射流的雷诺数Re，角度盘1与圆形铜管2调整冲击射流的冲击角度θ与冲击高度H，脉冲发生器9调整冲击射流的脉冲周期T。计算机12、同步仪13、激光器14、片光源15与CCD相机16组成整个PIV拍摄系统，激光通过片光源14射在整个冲击射流的中截面，通过侧面的CCD相机16进行拍摄。
在图2中，由于CCD相机16每次拍摄的区域有限，通过平移CCD相机16可以将多次拍摄的区域合成一个较大的区域。
Claims (10)
1.一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，包括角度盘（1）、圆形铜管（2）、壁面（3）、蓄水池（5）、磁力泵（6）、流量计（7）、闸阀（8）、脉冲发生器（9）、水槽（10）、联接软管（11）、计算机（12）、同步仪（13）、激光器（14）、片光源（15）及CCD相机（16）；所述水槽（10）为透明水槽，壁面（3）为透明壁面；
所述角度盘（1）固定于支撑架上；所述圆形铜管（2）与角度盘（1）可拆卸式固定，且圆形铜管（2）在角度盘（1）上角度可调节；
所述壁面（3）设置于水槽（10）内，蓄水池（5）依次经磁力泵（6）、流量计（7）、闸阀（8）、脉冲发生器（9）、联接软管（11）与圆形铜管（2）贯通连接，圆形铜管（2）一端与联接软管（11）贯通，另一端置于水槽（10）内的壁面（3）上方；蓄水池（5）内的水依次穿过磁力泵（6）、流量计（7）、闸阀（8）、脉冲发生器（9）、联接软管（11）、圆形铜管（2），并从圆形铜管（2）射出，冲击到壁面（3）上，形成整个冲击射流的流场；
所述计算机（12）、同步仪（13）、激光器（14）、片光源（15）依次连接，计算机（12）、同步仪（13）、激光器（14）、片光源（15）与CCD相机（16）组成整个PIV拍摄系统；其中，计算机（12）控制激光器（14）发射激光，计算机（12）控制CCD相机（16）进行拍摄，而同步仪（13）同步激光器（14）的发射时间与CCD相机（16）的拍摄时间，激光器（14）发射的激光通过片光源（15）形成片光；
所述片光源（15）置于水槽（10）的底部，片光源（15）可向上发射激光，激光穿过从圆形铜管（2）射出的射流中截面；CCD相机（16）置于水槽（10）的侧面，并平行于从圆形铜管（2）射出的射流中截面。
2.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，所述壁面（3）为有机玻璃壁面。
3.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，所述水槽（10）为钢化玻璃水槽，水槽（10）为方形。
4.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，所述水槽（10）设置于蓄水池（5）的上方，水槽（10）的侧壁上部设有溢水口，溢水口上设有下闸门（4），溢水口位于蓄水池（5）的上方。
5.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，所述角度盘（1）的形状为1/4圆形，所述角度盘（1）上设有中心孔、7个边孔，中心孔设置于角度盘（1）的直角处，7个边孔设置于角度盘（1）的弧形边处，中心孔与7个边孔的连线形成7条相互之间间隔15度的线段；
所述中心孔以及每个边孔两侧均添加2个小孔，中心孔两侧的2个小孔以及边孔两侧的2个小孔可安装固定件，圆形铜管（2）通过固定件紧贴着固定在角度盘（1）上，通过圆形铜管（2）固定于不同的边孔上，实现调整圆形铜管（2）的角度，从而调整冲击射流的冲击角度。
6.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，所述圆形铜管（2）为可拉伸式圆形铜管。
7.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，所述脉冲发生器（9）用于形成不同频率的脉冲射流。
8.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，所述角度盘（1）在支撑架上可上下移动。
9.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是，所述CCD相机（16）在水槽（10）内可平移。
10.根据权利要求1-9中任意一项权利要求所述的一种用于粒子图像测速的脉冲式淹没冲击射流实验装置进行测速的方法，其特征是，
A、首先将圆形铜管（2）在角度盘（1）上调整好角度，并固定在角度盘（1）上；壁面（3）放置在水槽（10）中，圆形铜管（2）置于壁面（3）上方；
启动磁力泵（6），蓄水池（5）内的水依次穿过磁力泵（6）、流量计（7）、闸阀（8）、脉冲发生器（9）、联接软管（11）、圆形铜管（2），并从圆形铜管（2）射出，冲击到壁面（3）上，形成整个冲击射流的流场；
B、片光源（15）位于水槽（10）底部的中截面上，并向上垂直发射两道时间间隔为ΔT的激光；
C、把CCD相机（16）置于水槽（10）的侧面并平行于射流中截面，对准射流中截面后利用示踪粒子在激光区域的曝光作用，记录两道激光粒子曝光时的图像，形成两幅粒子分布图片；
D、通过示踪粒子在两幅图片的位移差与时间差算出射流中截面流场的速度方向和大小；
E、由于CCD相机（16）每次拍摄的区域有限，通过平移CCD相机（16）可以将多次拍摄的区域合成一个较大的区域。
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| CN109974969A (zh) | 2019-07-05 |
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