CN110553813A - 一种基于piv实验的风窗局部风阻测试区间确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法，涉及矿山通风技术领域。本发明步骤如下：步骤1：根据相似定律制作模型；步骤2：选择示踪粒子；步骤3：参数设定；步骤4：调整激光片光源的厚度及入射激光的高度；步骤5：调整视场，完成二维标定；步骤6：打开风机，进行数据采集；步骤7：根据数据得到流场的瞬态矢量图和时均矢量图，分析流场特征确定模型测试区间；步骤8：通过瞬态流场矢量图和时均矢量图得到的各个流场参数，反算出实际巷道的流场参数，确定测试区间，采用压差计与皮托管对风窗局部阻力进行测试。本方法能准确地测量出风窗的局部阻力，对风窗局部阻力测试区间进行划定，提高风窗局部阻力的测试精度。

Description

一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法

技术领域

本发明涉及矿山通风技术领域，尤其涉及一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法。

背景技术

调节风窗是矿井最常用的通风构筑物，是通风系统中对风流进行调节的重要设施之一。调节风窗是通过改变窗口的开口面积对风窗所在巷道的风量进行调节，按需分风保证各主要用风地点的风量，风量调节的合理性对整个矿井通风系统有着直接的影响，而合理调节风量必须准确测试出调节风窗产生的局部阻力。这对井下调节风窗及其流场进行研究对于实际生产、矿井通风设计与施工和优化矿井通风系统具有重要的意义。

然而风流流经风窗后发生剧烈的变化，呈现湍流状态，其流场内的速度、压力等参数在空间和时间上变化极不规则。实现精确测量风窗局部阻力参数绝非易事，测试区域选择不当，极有可能造成测试数据不稳定或者增加不必要的沿程阻力，这都会使测试结果产生一定的误差。PIV可以准确的描述流场的瞬时状态，所以PIV可以用于确定风窗局部阻力测试的测试区间。由于风流在流经风窗之后形成涡流，从而产生局部阻力，流场的分布甚为复杂和紊乱，按照传统的方式进行测试，皮托管的测试位置距离风窗过近，极有可能处于涡流区之中，数据震荡明显无法得到准确结果；测试位置过远，测试结果中会包含模型的沿程阻力，造成风窗的局部风阻测不准现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法，本方法避免涡流以及沿程阻力的干扰，准确地测量出风窗的局部阻力，对风窗局部阻力测试区间进行划定，提高风窗局部阻力的测试精度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法，包括如下步骤：

步骤1：根据相似定律制作模型，激光片光源从模型上方入射，且与模型风流方向平行，CCD相机的视场方向为片光源的法向方向，CCD相机视场与光平面垂直；

步骤2：选择示踪粒子，确保示踪粒子的流动跟随性和散光性能达到实验要求，没有毒性、不具备任何腐蚀性、不会产生任何化学反应；

步骤3：参数设定；根据实验要求对PIV进行设置；

步骤4：调整激光片光源的厚度及入射激光的高度，使片光的最细部分穿过测试平面，测试平面即位于模型中心的垂直平面，PIV的激光扇面厚度约为1～2mm；

步骤5：调整视场，完成二维标定；在单针拍摄模式下，调整CCD相机视场尺寸，并保证相机视场与实验测试平面垂直，保证图片清晰完整；

步骤6：打开风机，将风速调至预定值，待风流稳定，使用PIV的Dynamic Studio软件进行数据采集；

步骤7：采用PIV系统的DynamicStudio软件根据步骤6采集的数据得到流场的瞬态矢量图和时均矢量图，将PIV拍摄的瞬时流场统计平均得到时均流场分布，分析流场特征确定模型测试区间；

步骤8：根据相似定律，通过瞬态流场矢量图和时均矢量图得到的各个流场参数，根据矿井通风中的相似定律反算出实际巷道的流场参数，确定测试区间，采用压差计与皮托管对风窗局部阻力进行测试。

所述步骤3中的参数包括跨帧时间、激光强度、实验频率。

所述步骤8中的流场参数包括矢量图上得到各点的速度以及涡流区长度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法，本发明根据相似定律建立实验模型，利用粒子图像测速仪(PIV)对风窗模型流场进行实验测试，以反映风窗全流场瞬态速度以及时均速度分布结构，根据实验数据得到的流场分布图像，准确的得到涡流区范围，来确定风窗局部阻力测试区间，再根据相似定律反算实际巷道的测试区间。此方法克服了传统测阻方式因无法确定测试区间而造成阻力测不准的弊端，采用PIV测试风窗流场克服了传统接触式定点流速测量技术因测试时对流场产生的干扰，能够真实的反映出模型的瞬态流场分布。测试方法简单易行，减少了人为干预，对测试准确性有一定的提升，对于实际生产具有一定的现实意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的实验装置示意图；

图3为本发明实施例提供的时均流场速度分布特征示意图；

其中，1-流量计，2-示踪粒子发生器，3-调节阀，4-通风机，5-坐标架，6-激光器，7-导光臂，8-片光源镜头，9-调节风窗，10-整流栅，11-CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的方法如下所述。

本发明提供一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法，包括如下步骤：

步骤1：根据相似定律制作模型，激光片光源从模型上方入射，且与模型风流方向平行，CCD相机的视场方向为片光源的法向方向，CCD相机视场与光平面垂直；PIV系统测速时，激光片光源从模型上方入射，并要保证片光最薄的“腰部”穿越测试流场，CCD相机的视场方向为片光源的法向方向，对实验系统进行调试，确保片光源平面与实验模型平行，CCD相机视场与光平面垂直，尽量消除系统误差；PIV采集流场图像时要求在暗室中进行，避免自然光、白炽灯对流场的干扰，如图2所示。

本实施例中模型与实际巷道的比例为1：20。

步骤2：选择合适的示踪粒子，实验测试流体属于无色无味的空气，而PIV测试成像需要以示踪粒子作为流体流动的标志，使用合理可靠的示踪粒子是实验获得可靠有用数据的必要条件。确保示踪粒子的流动跟随性和散光性能达到实验要求的情况下，没有毒性、不具备任何腐蚀性、不会轻易产生任何化学反应；

步骤3：参数设定；根据实验要求对PIV进行合理设置，所述参数包括跨帧时间、激光强度、实验频率；

本实施例中在设备开机前检查设备连接线正确连接的情况下，首先开启激光器的总开关，待“绿色温度”显示超过90℃时打开控制器(SYSTEM ON)，在激光器“绿色温度”显示接近100℃时，打开控制器的LASER ON，随即将SHOTTER中的OPEN打开；然后打开电脑及PIV操作软件；观察CCD相机是否正常工作，并将摄像头用镜头盖盖住。

步骤4：调整激光片光源的厚度及入射激光的高度，使片光的最细部分穿过测试平面，测试平面即位于模型中心的垂直平面，PIV的激光扇面厚度约为1～2mm；这个厚度指的是PIV的激光扇面，也就是实验装置图中，光源发射出的三角形部分；

步骤5：调整视场，完成二维标定；在单针拍摄模式下，调整CCD相机视场尺寸，并保证相机视场与实验测试平面垂直，保证图片清晰完整；调整相机的焦距及光圈，直至图像清晰，采集一张图片完成速度场二维标定。

步骤6：在以上步骤都完成的前提下，打开风机，将风速调至预定值，待风流稳定，使用PIV的Dynamic Studio软件进行数据采集；

本实施例中将Dynamic Studio软件切换到采集模式，将拍摄模式设置为双帧模式，输入合适的Time Between Pulse(跨帧时间)、采集频率、及采集图片数；点击Acquire(采集)采集图片后切换到Acquired Data(采集数据)，点击Save in Database(保存数据)；同时调节LASER1和LASER2激光强度，尽量保证两帧图片的亮度及清晰度一致，利用粒子发生器不断向模型中播撒光扩散剂，待示踪粒子均匀散布于流场中时，输入跨帧时间，开始速度流场信息采集。实验中，工作频率5Hz，每组实验工况下连续捕捉400张图像信息。

步骤7：采用PIV系统的DynamicStudio软件根据步骤6采集的数据得到流场的瞬态矢量图和时均矢量图，PIV自带软件，用于处理PIV实验数据，生成矢量图，将PIV拍摄的瞬时流场统计平均得到时均流场分布，分析流场特征确定模型测试区间，瞬态矢量图和时均矢量图就可以得到流场的流态，清晰的看到涡流区的位置，从而在测试时可以避免在涡流区中测试，皮托管测点正好选在涡流区边界，避免误差；

采用PIV系统的DynamicStudio软件对实验原始采集粒子图像进行后处理，经过Image stitch(图片拼接)、Masking(分析区域划分)、Cross correlation(互相关算法)、Vector masking(矢量图遮掩)、Average filter(基于移动平均检验的过滤)等功能得到瞬态流场矢量图，再经Statistics统计平均处理后，得到400组图像的时均流场矢量图，将矢量图导入到Tecplot软件中进一步进行图像处理，得到时均流场速度分布特征，得到结果如图3所示。

步骤8：根据相似定律，通过瞬态流场矢量图和时均矢量图得到的各个流场参数，所述参数包括矢量图上得到各点的速度以及涡流区长度，通过DynamicStudio软件将瞬态矢量图时均化处理为时均矢量图在矢量图上得到各点的速度，以及涡流区长度，根据矿井通风中的相似定律反算出实际巷道的流场参数，确定测试区间，采用压差计与皮托管对风窗局部阻力进行测试。

根据PIV实验得到的数据及风窗的流场分布·特征，找到涡流区域，根据相似定律反算实际巷道的涡流区域；

所述的相似定律包括几何相似，运动相似，动力相似等。几何相似是指实际巷道与实验模型对应边长的比例相等，例如：其中，l_模型为模型的长度，l_巷道为巷道的长度，s_模型为模型的宽度，s_巷道为巷道的宽度；

运动相似是指实际巷道与实验模型的速度场相似，两个速度场对应点的速度比值相等，流动状态也相似，所以通过测试模型得到的流动状态，通过相似比，可以得到实际巷道的流动状态，例如：v_模型为模型中某点的风速，v_s巷道为该点对应的实际巷道的风速；若该点的风速为20m/s，那么实际巷道对应点的速度就为1m/s。

通过以上的相似定律，我们就可以通过实验模型各点速度反算出实际巷道的各点速度，实验模型的涡流区长度反算出实际巷道的涡流区长度，根据反算结果，确定测试区间，即测阻时两皮托管的位置。

采用PIV对风窗流场进行测试，得到风窗流场的分布规律，以此为参考，确定出局部阻力测试的范围，克服了传统方法局部阻力测不准的缺点，提高局部阻力测试的准确度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：根据相似定律制作模型，激光片光源从模型上方入射，且与模型风流方向平行，CCD相机的视场方向为片光源的法向方向，CCD相机视场与光平面垂直；

步骤2：选择示踪粒子，确保示踪粒子的流动跟随性和散光性能达到实验要求，没有毒性、不具备任何腐蚀性、不会产生任何化学反应；

步骤3：参数设定；根据实验要求对PIV进行设置；

步骤4：调整激光片光源的厚度及入射激光的高度，使片光的最细部分穿过测试平面，测试平面即位于模型中心的垂直平面，PIV的激光扇面厚度约为1～2mm；

步骤5：调整视场，完成二维标定；在单针拍摄模式下，调整CCD相机视场尺寸，并保证相机视场与实验测试平面垂直，保证图片清晰完整；

步骤6：打开风机，将风速调至预定值，待风流稳定，使用PIV的Dynamic Studio软件进行数据采集；

步骤7：采用PIV系统的DynamicStudio软件根据步骤6采集的数据得到流场的瞬态矢量图和时均矢量图，将PIV拍摄的瞬时流场统计平均得到时均流场分布，分析流场特征确定模型测试区间；

步骤8：根据相似定律，通过瞬态流场矢量图和时均矢量图得到的各个流场参数，根据矿井通风中的相似定律反算出实际巷道的流场参数，确定测试区间，采用压差计与皮托管对风窗局部阻力进行测试。

2.根据权利要求1所述的一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法，其特征在于：所述步骤3中的参数包括跨帧时间、激光强度、实验频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于PIV实验的风窗局部风阻测试区间确定方法，其特征在于：所述步骤8中的流场参数包括矢量图上得到各点的速度以及涡流区长度。