CN110879218A - 一种水下热射流的浮升测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种水下热射流的浮升测量装置，利用传质过程和传热过程的类比性，通过激光诱导荧光的方法，实现对水下热射流流场的精确测量；通过调整相机和激光器的工作位置，既能得到热射流在不同高度水平面上的浮升特征(如形态、扩散面积等)，又能得到热射流在纵向切面上的浮升状态。本发明通过对传质过程的测量，射流介质在管路中的传递不存在热量损失；传热试验自由液面的温度变化受周围环境因素影响较大，而传质试验自由液面不受周围环境因素的影响而改变；利用平面激光诱导荧光的方法对水下热射流进行非接触测量，其不会破坏热射流的浮升形态。因此，本发明极大地提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明属于水下测量技术领域，具体涉及一种水下热射流的浮升测量装置。
背景技术
水下热射流的浮升测量装置，可用于测量水下热射流的浮升变化过程，了解其流动和浮升机理，掌握热射流的流速与温度之间的变化关系。水下热射流的浮升变化过程属于传热过程，其测量装置一般分为两部分：热射流的模拟和热射流浮升过程的温度测量。目前，对于热射流的模拟一般是采用恒温水箱持续提供热水的方式，并利用软管将热水通到模型的排放口；而对于热射流浮升过程的温度测量，则采用在热射流浮升区域布设温度传感器阵列的方式来记录该区域的温度变化情况。
现有技术方案对热射流的浮升过程进行测量时，主要存在以下几个问题：
(1)理想状态下恒温水箱中设定的热水温度也就是模型排放口的排放温度，但是在实际操作过程中，恒温水箱和模型排放口之间是通过软管进行连接的，热水在通过软管的过程中不可避免的会产生热量损失；
(2)受限于市面上温度传感器性能和精度的限制，利用其测量热射流的浮升变化过程误差较大；还有就是在热射流浮升区域布设温度传感器阵列，其会破坏热射流的浮升形态。
(3)热射流浮升至自由液面时，自由液面与周围环境温度存在换热，此换热系数与周围环境的温度、湿度和环境风场有关，而周围环境的变化对试验结果影响较大。
发明内容
本发明提供了一种能够有效提高测量精度的水下热射流的浮升测量装置。
本发明一种水下热射流的浮升测量装置，包括透明试验水槽、热射流模拟装置和热射流测量装置；其特征在于，热射流模拟装置射流介质为添加有荧光材料的，溶于水但密度比水小的液体；热射流测量装置主要包括能够激发射流介质中的荧光材料发光的激光器、记录荧光材料光强的相机。
作为优选方案，热射流模拟装置包括射流介质容器和介质输送管路，射流介质通过输送管路由射流介质容器喷射进透明试验水槽。
作为优选方案，射流介质为加入罗丹明的酒精溶液。
作为优选方案，对于运动射流的测量，相机从透明试验水槽顶部俯视拍摄，激光器置于透明试验水槽侧方位，与射流喷射方向平行照射；对于静止射流的测量，激光器置于透明试验水槽侧方位照射，相机设置于透明试验水槽正前方垂直于射流喷出方向拍摄。
作为优选方案，对于运动射流的测量，热射流测量装置的激光器和相机固定在测量装置支撑架上；对于静止射流的测量，热射流测量装置的激光器固定在测量装置支撑架上；测量装置支撑架能够带动相机和激光器平移保证试验效果。
作为优选方案，测量装置支撑架包括L型移动平台、上固定导轨，上动力导轨和下固定导轨，上固定导轨，上动力导轨和下固定导轨平行设置；L型移动平台上平台由上固定导轨，上动力导轨支撑，L型移动平台侧面平台支撑在下固定导轨上；上动力导轨牵引L型移动平台平移。
作为优选方案，上固定导轨，上动力导轨固定安装在透明试验水槽上边缘。
本发明利用传质过程和传热过程的类比性，通过激光诱导荧光的方法，实现对水下热射流流场的精确测量；通过调整相机和激光器的工作位置，既能得到热射流在不同高度水平面上的浮升特征(如形态、扩散面积等)，又能得到热射流在纵向切面上的浮升状态。本发明通过对传质过程的测量，射流介质在管路中的传递不存在热量损失；传热试验自由液面的温度变化受周围环境因素影响较大，而传质试验自由液面不受周围环境因素的影响而改变；利用平面激光诱导荧光的方法对水下热射流进行非接触测量，其不会破坏热射流的浮升形态。因此，本发明极大地提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明结构的立体示意图。
其中，(1)为上固定导轨；(2)为上动力导轨；(3)为透明试验水槽；(4)为激光器；(5)为L型移动平台；(6)为相机；(7)为介质输送管路；(8)为射流介质容器；(9)为流量计；(10)为控制阀；(11)为水泵；(12)为下固定导轨。
具体实施方式
流动相似的先决条件是无量纲数相等，在阿基米德数与格拉晓夫数相同的条件下，传质过程与传热过程具有完全相同的流动微分方程，因而可以通过测量传质过程类比得到传热过程。本发明的水下热射流浮升测量装置，利用平面激光诱导荧光的方法，对热射流的浮升过程进行非接触测量，射流介质可选用溶于水，但密度比水小的液体，例如酒精和水的溶液，调节其浓度，可以使阿基米德数等于相应传热实验的格拉晓夫数。在测试开始前，射流介质中应预先加入适当浓度的罗丹明作为荧光材料，并对荧光材料进行现场标定，因为不同浓度的荧光材料受激光的激发会散发出不同光强的荧光，通过标定记录荧光材料光强与荧光材料浓度之间的关系曲线，并根据密度－温度比拟方程(即温度等于材料浓度乘以420)，最终转化为荧光材料光强与等效热射流温度之间的关系曲线。
本发明一种水下热射流的浮升测量装置，包括透明试验水槽、热射流模拟装置和热射流测量装置；其中，热射流模拟装置射流介质为添加有荧光材料的，溶于水但密度比水小的液体；热射流测量装置主要包括能够激发射流介质中的荧光材料发光的激光器、记录荧光材料的光强的相机。
本发明具体实施方式如图1和图2所示，热射流模拟装置包括射流介质容器和介质输送管路。射流介质容器中的射流介质为加入罗丹明6G药品的酒精溶液。介质输送管路中的水泵把射流介质从射流介质容器中抽起，经过流量计和控制阀后，从介质输送管路末端的喷嘴中喷入透明试验水槽中。
本发明透明试验水槽整体框架采用铝合金型材结构，型材之间拼接全透明玻璃，作为整个测量装置的一个主体。在透明试验水槽上设置测量装置支撑架。
测量装置支撑架包括L型移动平台、上固定导轨，上动力导轨和下固定导轨，上固定导轨，上动力导轨和下固定导轨平行设置。L型移动平台上平台由上固定导轨，上动力导轨支撑，L型移动平台另外平台支撑在下固定导轨上。上动力导轨牵引L型移动平台平移。上固定导轨和上动力导轨分别铺设在透明试验水槽最上面两根平行的铝合金型材上。上动力导轨的后端连接一台步进电机，由其带动L型移动平台在三根导轨上滑动。测量设备由激光器和相机组成，根据试验工况的不同，可选择是否将其固定在L型移动平台上，其中，对于运动射流的测量，激光器固定于L型移动平台的侧方，相机固定于L型移动平台的上方；对于静止射流的测量，激光器固定于L型移动平台的上方，相机放置于试验水槽的外侧，平行于上动力导轨的方向进行拍摄。
本发明的试验过程如下：
(1)试验前准备工作，调试好设备仪器的工作状态；
(2)配置适当浓度的罗丹明酒精溶液作为射流介质；
(3)利用搭建的透明试验水槽对罗丹明酒精溶液进行标定；
(4)设定热射流的流量，并通过流量计和控制阀对射流流量进行管控；
(5)设置步进电机的转速控制移动平台的速度，对运动射流，按照激光平射、相机俯视拍摄的方式，对不同高度水平面射流浮升特征进行测量；对静止射流，按照激光垂射、相机平行直线导轨的拍摄方式，对纵向切面射流的浮升状态进行测量。
(6)试验结束，改变运行工况，重复上述操作。
Claims (7)
1.一种水下热射流的浮升测量装置，包括透明试验水槽、热射流模拟装置和热射流测量装置；其特征在于，热射流模拟装置射流介质为添加有荧光材料的，溶于水但密度比水小的液体；热射流测量装置主要包括能够激发射流介质中的荧光材料发光的激光器、记录荧光材料光强的相机。
2.根据权利要求1所述的一种水下热射流的浮升测量装置，其特征在于，热射流模拟装置包括射流介质容器和介质输送管路，射流介质通过输送管路由射流介质容器喷射进透明试验水槽。
3.根据权利要求2所述的一种水下热射流的浮升测量装置，其特征在于，射流介质为加入罗丹明的酒精溶液。
4.根据权利要求1所述的一种水下热射流的浮升测量装置，其特征在于，对于运动射流的测量，相机从透明试验水槽顶部俯视拍摄，激光器置于透明试验水槽侧方位，与射流喷射方向平行照射；对于静止射流的测量，激光器置于透明试验水槽侧方位照射，相机设置于透明试验水槽正前方垂直于射流喷出方向拍摄。
5.根据权利要求4所述的一种水下热射流的浮升测量装置，其特征在于，对于运动射流的测量，热射流测量装置的激光器和相机固定在测量装置支撑架上；对于静止射流的测量，热射流测量装置的激光器固定在测量装置支撑架上；测量装置支撑架能够带动相机和激光器平移保证试验效果。
6.根据权利要求5所述的一种水下热射流的浮升测量装置，其特征在于，测量装置支撑架包括L型移动平台、上固定导轨，上动力导轨和下固定导轨，上固定导轨，上动力导轨和下固定导轨平行设置；L型移动平台上平台由上固定导轨，上动力导轨支撑，L型移动平台侧面平台支撑在下固定导轨上；上动力导轨牵引L型移动平台平移。
7.根据权利要求6所述的一种水下热射流的浮升测量装置，其特征在于，上固定导轨，上动力导轨固定安装在透明试验水槽上边缘。
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