CN110132539B - 非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台，包括流体流量控制装置、流体薄膜制备装置、图像采集装置和流体收集装置，流体薄膜制备装置包括安装于机架顶部台板底部的引流器；流体流量控制装置包括设于顶部台板上的注射泵，注射泵通过导管与引流器连通；流体收集装置包括设于引流器下方的集液器，集液器通过XY轴平移滑台安装于Z轴升降滑台上，Z轴升降滑台设于机架的底部台板上，引流器与集液器之间通过各自内部设置的夹头牵拉有细丝；图像采集装置包括于细丝前、后位置设于机架上的相机和背光源。本发明通过采集的实验图像，可以提取出轴对称流体薄膜的相关动力学特性，对中性高。

Description

非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台

技术领域

本发明涉及对流体薄膜的实验研究，具体为一种非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台。

背景技术

随着流体动力学的不断发展，对流体薄膜的实验研究也不断深入。

根据Rayleigh机制，表面张力引起界面失稳，导致流体薄膜在细丝上呈现滴状序列结构，因此，我们通过实验来研究流体薄膜的动力学理论。

薄膜的制备是实验研究的基础，要求薄膜形成轴对称状态，通过不同材料、直径，不同流体、流速等情况下的薄膜流动实验的测量，进行理论的分析。

然而接触式测量会影响原始流动状态，检测元件会扰乱原流场而影响测量精度，导致无法测量或测量值与原始值相差太大，这使得测量工作无法进行或测量结果准确度难以保证。而对于目前常见的非接触式测量方法，如电磁流量计，超声波流量计，涡街流量计等又存在安装与调试复杂，抗干扰能力差，可靠性、精度等级不高，重复性差，使用寿命短等局限性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种对不同细丝材料、直径，不同流体、流速等情况下的轴对称流体薄膜形态的非接触式测量。

能够解决上述技术问题的非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台，其技术方案包括基于机架设置的流体流量控制装置、流体薄膜制备装置、图像采集装置和流体收集装置，其中：

1、所述流体薄膜制备装置包括安装于机架顶部台板底部的引流器。

2、所述流体流量控制装置包括设于顶部台板上的注射泵，所述注射泵通过导管与引流器连通。

3、所述流体收集装置包括设于引流器下方的集液器，所述集液器通过XY轴平移滑台安装于Z轴升降滑台上，所述Z轴升降滑台设于机架的底部台板上，所述引流器与集液器之间通过各自内部设置的夹头牵拉有细丝。

4、所述图像采集装置包括于细丝前、后位置设于机架上的相机和背光源，对应于相机配备有图像采集卡和图形工作站。

所述引流器的一种结构包括夹心上座、上定心夹头、隔离套、引流下座和引流头，所述夹心上座安装于顶部台板上，所述上定心夹头同轴安装于夹心上座内，所述隔离套于夹心上座内同轴套装于上定心夹头，隔离套底部设有同轴的垫板，所述引流下座同轴安装于夹心上座底部并压紧垫板，所述引流头的上端部同轴安装于引流下座内并与引流下座内同轴开设的储液腔连通，引流下座侧部与导管接通的进液孔道连通储液腔，所述细丝上端穿过引流头轴心穿丝孔道、引流下座上的同轴穿丝孔、垫板上的同轴穿丝孔、隔离套底部的同轴穿丝孔夹持在上定心夹头上。

所述集液器的一种结构包括夹心座板、下定心夹头、集液盒和细丝挡板，所述夹心座板安装于XY轴平移滑台上，所述下定心夹头同轴安装于夹心座板上，所述集液盒同轴设于夹心座板上，集液盒的底部凹套空套在下定心夹头上，所述细丝下端穿过集液盒凹套上的轴心穿丝孔夹持在下定心夹头上，所述细丝挡板设于集液盒的凹套上，细丝挡板的前斜端将细丝抵触在穿丝孔边缘上。

为便于集液盒的安装和拆除，所述细丝挡板后端对应的集液盒的盒体内缩形成夹头避让口，所述细丝挡板安装于夹头避让口上的板架上，所述板架上开设有细丝避让槽口。

所述注射泵常规选择采用注射器。

进一步，所述相机设于升降架上，所述升降架设于机架上。

本发明的有益效果：

1、本发明非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台实现了呈轴对称形态的流体薄膜的制备、流体薄膜数字化形态特征的非接触式测量，具有一定的柔性，可以测量不同材料直径的细丝，不同流速各种流体的形态特征。

2、本发明通过注射泵设定流量(流速)供给流体，以保证将液体稳定泵出，并精确控制流体在引流头出口处的流量，使得从注射泵中出来得流体在细丝上形成稳定流动得流体薄膜。

3、本发明的集液器采用分体式的设计，方便更换和流体的清洗。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。

图2为图1实施方式中引流器的爆炸图。

图3为图1实施方式中集液器的爆炸图。

图4为图3中集液盒的立体结构图。

图5为图1、图2实施方式中流体薄膜数字化提取的形态特征图。

图号标识：1、机架；2、引流器；3、注射泵；4、导管；5、集液器；6、XY轴平移滑台；7、Z轴升降滑台；8、上定心夹头；9、下定心夹头；10、细丝；11、垫板；12、相机；13、背光源；14、夹心上座；15、引流头；16、隔离套；17、引流下座；17-1、储液腔；17-2、进液孔道；18、夹心座板；19、集液盒；20、细丝挡板；21、板架；21-1、细丝避让槽口；22、升降架；23、注射控制机构；24、流体薄膜。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台，包括基于机架1设置的流体流量控制装置、流体薄膜制备装置、图像采集装置和流体收集装置，所述机架1为立式方形框架，机架1的上端口设有顶部台板、下端口设有底部台板，机架1的前侧面设有可上、下移动的升降架22，如图1所示。

所述流体流量控制装置包括引流器2，所述引流器2包括夹心上座14、上定心夹头8、隔离套16、引流下座17和引流头15，所述夹心上座14用螺钉安装于机架1的顶部台板底部中央，所述上定心夹头8于夹心上座14的同轴内孔中通过莫氏锥度结构安装，所述隔离套16同轴将上定心夹头8套装于夹心上座14内孔中，隔离套16下方设有同等大小的垫板11，所述引流下座17用螺钉同轴安装于夹心上座14底部(轴阶轴孔定位)并将垫板11压紧于隔离套16底部，所述引流头15的上端部安装于引流下座17内(中间轴阶定位安装深度)并与引流下座17内部开设的锥形储液腔17-1连通，引流下座17侧部开设有进液孔道17-2连通储液腔17-1，如图2所示。

所述流体流量控制装置包括设于机架1顶部台板上的注射控制机构23，所述注射控制机构23上设置有注射泵3(注射器)，所述注射泵3通过导管4连通引流下座17上的进液孔道17-2，如图1、图2所示。

所述流体收集装置包括集液器5，所述集液器5包括夹心座板18、下定心夹头9、集液盒19和板架21，所述夹心座板18装夹于XY轴平移滑台6上，所述XY轴平移滑台6装夹于Z轴升降滑台7上，所述Z轴升降滑台7装夹于机架1的底部台板中央，所述下定心夹头9于夹心座板18上通过莫氏锥度结构安装，所述集液盒19的底部中央形成有向上拱起的凹套(凹口直径大于下定心夹头9外径)，所述凹套高度平齐于集液盒19的盒口，凹套上开设有同轴的穿丝孔，所述穿丝孔前侧的凹套顶面向前下方倾斜形成顺流面，集液盒19的后侧盒体内缩形成夹头避让口，所述板架21固装于夹头避让口处的盒口上，所述板架21上开设有前、后向的细丝避让槽口21-1，所述细丝避让槽口21-1的前端位置重合于穿丝孔，细丝避让槽口21-1的后端喇叭口通出板架21后端，如图1、图3、图4所示。

所述图像采集装置包括相机12和背光源13，所述相机12设于升降架22上，对应于相机12配备有图像采集卡和图形工作站，所述背光源13设于机架1的后侧面，相机12配合使用图像采集卡和图形工作站进行图像的采集，可以将实验过程通过数字图像的方式进行存储，通过自编程序对图像数据进行处理，得到流体薄膜24的边界形态特征，如图1、图5所示。

所述引流器2和集液器5之间设置有细丝10，所述细丝10上端穿过引流头18轴心穿丝孔道、引流下座17上的同轴穿丝孔、垫板19上的同轴穿丝孔、隔离套16底部同轴的穿丝孔夹持在上定心夹头8上，细丝10下端夹持在下定心夹头9上，调节XY轴平移滑台6和Z轴升降滑台7可将细丝10垂直拉紧在上、下定心夹头8、9之间，流体流过引流器2流到细丝10上时，就会形成轴对称的流体薄膜24；所述集液盒19于夹心座板18上对着下定心夹头9和细丝10向后移动至与下定心夹头9同轴的位置(通过夹头避让口躲让下定心夹头9而实现)，在此过程中，细丝10通过细丝避让槽口21-1到达集液盒19凹套上的穿丝孔位置，板架21上设有细丝挡板20，所述细丝挡板20通过左、右螺钉安装固定于板架21上，细丝挡板20的前端开设有坡口而形成的前斜端将细丝10抵触在穿丝孔的前边缘上，如图1、图3、图4、图5所示。

Claims (3)

1.非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台，其特征在于包括基于机架（1）设置的流体流量控制装置、流体薄膜制备装置、图像采集装置和流体收集装置，其中：

所述流体薄膜制备装置包括安装于机架（1）顶部台板底部的引流器（2）；

所述流体流量控制装置包括设于顶部台板上的注射泵（3），所述注射泵（3）通过导管（4）与引流器（2）连通；

所述流体收集装置包括设于引流器（2）下方的集液器（5），所述集液器（5）通过XY轴平移滑台（6）安装于Z轴升降滑台（7）上，所述Z轴升降滑台（7）设于机架（1）的底部台板上，所述引流器（2）与集液器（5）之间通过各自内部设置的夹头牵拉有细丝（10）；

所述图像采集装置包括于细丝（10）前、后位置设于机架（1）上的相机（12）和背光源（13），对应于相机（12）配备有图像采集卡和图形工作站；

所述引流器（2）包括夹心上座（14）、上定心夹头（8）、隔离套（16）、引流下座（17）和引流头（15），所述夹心上座（14）用螺钉安装于机架（1）的顶部台板底部中央，所述上定心夹头（8）同轴安装于夹心上座（14）内，所述隔离套（16）于夹心上座（14）内同轴套装于上定心夹头（8），隔离套（16）底部设有同轴的垫板（11），所述引流下座（17）同轴安装于夹心上座（14）底部并压紧垫板（11），所述引流头（15）的上端部同轴安装于引流下座（17）内并与引流下座（17）内同轴开设的储液腔（17-1）连通，引流下座（17）侧部与导管（4）接通的进液孔道（17-2）连通储液腔（17-1），所述细丝（10）上端穿过引流头（18）轴心穿丝孔道、引流下座（17）上的同轴穿丝孔、垫板（19）上的同轴穿丝孔、隔离套（16）底部同轴的穿丝孔夹持在上定心夹头（8）上；

所述集液器（5）包括夹心座板（18）、下定心夹头（9）、集液盒（19）和细丝挡板（20），所述夹心座板（18）安装于XY轴平移滑台（6）上，所述下定心夹头（9）同轴安装于夹心座板（18）上，所述集液盒（19）同轴设于夹心座板（18）上，集液盒（19）的底部凹套空套在下定心夹头（9）上，所述细丝（10）下端穿过集液盒（19）凹套上的轴心穿丝孔夹持在下定心夹头（9）上，所述细丝挡板（20）设于集液盒（19）的凹套上，细丝挡板（20）的前斜端将细丝（10）抵触在穿丝孔边缘上，所述细丝挡板（20）后端对应的集液盒（19）的盒体内缩形成夹头避让口，所述细丝挡板（20）安装于夹头避让口（19-1）上的板架（21）上，所述板架（21）上开设有细丝避让槽口（21-1）。

2.根据权利要求1所述的非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台，其特征在于：所述注射泵（3）为注射器。

3.根据权利要求1所述的非接触式测量轴对称流体薄膜形态的实验平台，其特征在于：所述相机（12）设于升降架（22）上，所述升降架（22）设于机架（1）上。