CN111238766A - 一种示踪粒子发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流场显示技术领域，公开了一种示踪粒子发生器。该示踪粒子发生器包括支撑组件；粒子收集器，与支撑组件连接；外筒，包括具有容纳腔的外层筒体，外层筒体的上端密封，下端连接粒子收集器；内筒，设置在容纳腔中并与外层筒体固连，内筒包括内层筒体，内层筒体中设有过滤器，过滤器上铺设示踪粒子，过滤器将内层筒体的内腔分隔成上下设置的混合腔和高压腔，内层筒体上连接有进气管，进气管连通高压腔和外部高压气源；内层筒体的筒壁上部沿周向开设有多个切向通孔，切向通孔能使进入容纳腔的气‑固混合物具有切向速度；排气管，设置在外筒的顶部，排气管连通容纳腔和流场试验段。提高了进入流场试验段的示踪粒子的大小均匀性和气流跟随性。

Description

一种示踪粒子发生器
技术领域
本发明涉及流场显示技术领域，尤其涉及一种示踪粒子发生器。
背景技术
激光多普勒测速技术(LDV)和粒子图像测速技术(PIV)是目前应用较为广泛的非接触式流场光学诊断技术，能够实现非接触、瞬时流场的速度测量。PIV与LDV测量流场，都需要在流场中播撒示踪粒子，通过捕捉示踪粒子的散射光，确定示踪粒子的运动状态，从而获得流场的流动状态。
上述两种非接触式流场测量方法，对示踪粒子的要求较为严苛，粒径较大的示踪粒子会直接破坏原有的流场结构，从而影响测量结构的精确程度；与此同时，流场中示踪粒子的粒径不均匀会使PIV实验的图像采集结果变差，影响实验结果。常用的示踪粒子一般在1μm-5μm之间，使用过程中对流场结构影响较小，可以忽略不计。但在实际的使用过程中，受环境等因素的影响，一部分示踪粒子会聚集成较大的颗粒，如果将这些粒子直接播撒进试验段，将对试验结果产生较大影响。市场中常见的示踪粒子发生器利用高速气流直接吹动容器中示踪粒子层的表面，利用气流将示踪粒子带入流场试验段，很难保证示踪粒子的粒径均匀性及气流跟随性，最终影响试验测试的准确性。
因此，亟需提出一种能够提高进入流场中的示踪粒子的粒径均匀性的示踪粒子发生器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种示踪粒子发生器，该示踪粒子发生器提高了进入流场试验段中的示踪粒子的均匀度，提高了流场测试实验的准确率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种示踪粒子发生器，包括：
支撑组件；
粒子收集器，所述粒子收集器的一端与所述支撑组件连接；
外筒，包括具有两端开口的容纳腔的外层筒体，所述外层筒体的上端密封，下端连接所述粒子收集器的另一端；
内筒，设置在所述容纳腔中并与所述外层筒体固连，所述内筒包括内层筒体，所述内层筒体两端密封，所述内层筒体中设置有过滤器，所述过滤器上铺设有示踪粒子，所述过滤器将所述内层筒体的内腔分隔成上下设置的混合腔和高压腔，所述内层筒体上连接有进气管，所述进气管的一端连通于所述高压腔，另一端连通至外部高压气源；所述内层筒体于所述混合腔的腔壁上部沿周向开设有多个切向通孔，所述切向通孔被配置为能使从所述混合腔进入所述容纳腔的气-固混合物具有切向速度；
排气管，设置在所述外筒的顶部，且所述排气管的一端与所述容纳腔连通，另一端连通于流场试验段。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述外筒还包括第一密封法兰和第二密封法兰，所述第一密封法兰密封盖设在所述外层筒体的顶端，所述排气管连接在所述第一密封法兰上，所述第二密封法兰连接在所述外层筒体的侧壁上，所述第一密封法兰和所述第二密封法兰密封连接。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述内筒还包括第一密封盖和底板，所述第一密封盖和所述底板分别密封连接在所述内层筒体的顶端和底端。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述过滤器为平板过滤器，所述平板过滤器平行于所述底板。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述内筒和所述外筒同轴设置。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述切向通孔的轴线与所述内层筒体筒壁的法线之间具有预设夹角。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述混合腔的容积大于所述高压腔的容积。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述粒子收集器呈漏斗状。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述支撑组件包括支撑板和若干滚动单元，所述粒子收集器连接于所述支撑板，若干所述滚动单元间隔设置在所述支撑板的下表面。
作为上述示踪粒子发生器的优选技术方案，所述粒子收集器包括具有两端开口的收集腔的收集筒体和第二密封盖，所述收集筒体的上端与所述外层筒体的下端连接，所述收集腔与所述容纳腔连通，所述收集筒体的下端与所述支撑板连接并连接有第二密封盖。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：
本发明提供的示踪粒子发生器，包括相互配合的外筒和内筒，通过进气管将外部高压气源的高压气体通入内层筒体中，高压气体与示踪粒子混合后，从内层筒体上的切向通孔流至外层筒体的容纳腔中，此时的气-固混合物具有一定的切向速度，会在容纳腔内形成旋涡流动，在离心力和重力的作用下质量与体积较大的示踪粒子下落至外筒下方的粒子收集器内，而颗粒度均匀的示踪粒子随气流从外筒顶部的排气管流出发生器，进入流场试验段中。该示踪粒子发生器可以过滤掉气流中粒径较大的示踪粒子，使流入流场试验段中的示踪粒子大小均匀、气流跟随性好，从而有效提高流场试验的测试精度。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的示踪粒子发生器的局部剖视图；
图2是本发明具体实施方式提供的内筒的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式提供的示踪粒子发生器的结构示意图；
图4是图3中A-A向的剖视图。
图中标记如下：
1、支撑组件；11、支撑板；12、滚动单元；
2、粒子收集器；21、收集筒体；22、第二密封盖；
3、外筒；31、外层筒体；32、第一密封法兰；33、第二密封法兰；
4、内筒；41、内层筒体；42、过滤器；43、切向通孔；44、第一密封盖；45、底板；46、把手；
5、进气管；6、排气管；7、连接支架；
100、示踪粒子。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”“下”“左”“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本实施方式公开了一种示踪粒子发生器，如图1至图3所示，该示踪粒子发生器主要包括支撑组件1、粒子收集器2、外筒3和内筒4。其中，支撑组件1作为支撑结构设置在示踪粒子发生器的最下部，用于支撑发生器的其他结构。粒子收集器2的一端与支撑组件1连接，另一端与外筒3连接。外筒3主要包括外层筒体31，外层筒体31具有两端开口的容纳腔，外层筒体31的上端密封，下端连接粒子收集器2。
内筒4设置在容纳腔中并与外层筒体31固连，内筒4主要包括内层筒体41，内层筒体41两端密封。内层筒体41中设置有过滤器42，过滤器42上铺设有示踪粒子100，过滤器42将内层筒体41的内腔分隔成上下设置的混合腔和高压腔，高压腔用于通入高压气体，混合腔用于实现高压气体和示踪粒子100的混合。内层筒体41上连接有进气管5，进气管5的一端连通于高压腔，另一端连通至外部高压气源，进气管5用于向高压腔中通过高压气体。内层筒体41于混合腔的腔壁上部沿周向开设有多个切向通孔43，切向通孔43被配置为能使从混合腔进入容纳腔的气-固混合物具有切向速度。外筒3的顶部连接有用于向外排出气-固混合物的排气管6，排气管6的一端连通容纳腔，另一端连通流场试验段。
本实施方式中的示踪粒子发生器通过进气管5将外部高压气源的高压气体通入内层筒体41中，高压气体与示踪粒子100混合后，从内层筒体41上的切向通孔43流至外层筒体31的容纳腔中，此时的气-固混合物具有一定的切向速度，会在容纳腔内形成旋涡流动，在离心力和重力的作用下质量与体积较大的示踪粒子100下落至外筒3下方的粒子收集器2内，而颗粒度均匀的示踪粒子100随气流从外筒3顶部的排气管6流出发生器，进入流场试验段中。该示踪粒子发生器可以过滤掉气流中粒径较大的示踪粒子100，使流入流场试验段中的示踪粒子100大小均匀、气流跟随性好，从而有效提高流场试验的测试精度。
进一步地，内层筒体41通过连接支架7固定连接在外层筒体31的内壁上。优选地，连接支架7的数量设置为至少两个，且间隔连接在内层筒体41和外层筒体31之间，以提高连接稳定性。可选地，本实施方式中，连接支架7设置为三个，且沿内层筒体41的轴向圆周均布设置。在其他实施方式中，连接支架7的数量可以根据实际需要进行选取。
在本实施方式中，内筒4还包括第一密封盖44和底板45，第一密封盖44和底板45分别密封连接在内层筒体41的顶端和底端。为方便向内层筒体41中添加示踪粒子100以及更换维修过滤器42等操作，第一密封盖44与内层筒体41可拆卸连接，例如通过螺钉连接。进一步优选地，第一密封盖44上设有把手46，方便拆装第一密封盖44。
可选地，过滤器42为平板过滤器，平板过滤器平行于底板45且位于进气管5的上方。平板过滤器可以是由任意多孔材料制成的过滤结构，其作用是防止示踪粒子100堵塞进气管5并保证气流与示踪粒子100均匀混合，保证示踪粒子100流动的均匀性。进一步地，平板过滤器可以选用陶瓷烧结过滤器，厚度可选为10mm，平板过滤器的平均孔径可选为120μm。实际应用中，过滤器42的具体种类及规格需根据示踪粒子100的种类及大小来选取，此处不再一一列举。
优选地，本实施方式中的内筒4和外筒3同轴设置，方便加工组装，且能使容纳腔中形成的旋流更加均匀，进一步提高了气-固混合物中示踪粒子100的均匀度。
内层筒体41于混合腔的腔壁上沿内层筒体41的轴线方向开设有多圈切向通孔43，且相邻两圈的间距相等，每圈均包括多个沿周向均布的切向通孔43。该结构设置，可提高气-固混合物的均匀性。为实现气-固混合物进入容纳腔时具有一定的切向速度，在容纳腔中形成漩涡流动，切向通孔43的轴线与内层筒体41筒壁的法线之间具有预设夹角。该预设夹角的大小需根据实际情况而设计。为使气流和示踪粒子100在混合腔中的混合更均匀更充分，更好的实现旋流效果，切向通孔43开设在内层筒体41接近顶部的区域。切向通孔43的圈数及每圈包含切向通孔43的数量均可以根据实际情况而设计，本实施方式不做具体限制。
进一步地，混合腔的容积大于高压腔的容积，以使气-固混合物更加均匀。
在本实施方式中，外筒3还包括第一密封法兰32和第二密封法兰33，第一密封法兰32密封盖设在外层筒体31的顶端，排气管6连接在第一密封法兰32上，第二密封法兰33连接在外层筒体31的侧壁上，第一密封法兰32和第二密封法兰33通过螺栓密封连接。
作为本实施方式的一种可选方案，外层筒体31选用直径为219mm的国标不锈钢管，内层筒体41选用直径为180mm的国标不锈钢管，第二密封法兰33为对应尺寸和压强的国标法兰，第一密封法兰32在第二密封法兰33的基础上进行设计选用。
作为本实施方式的一种可选方案，进气管5和排气管6均选用直径为10mm的不锈钢管道与焊接接头的组合体。
支撑组件1包括支撑板11和若干滚动单元12，粒子收集器2连接于支撑板11，若干滚动单元12间隔设置在支撑板11的下表面，以实现整个发生器的移动。进一步地，支撑板11可选择直径300mm的法兰，滚动单元12可选为万向轮。万向轮的可选择直径130mm的商业化万向轮，其具体性能参数为单个万向轮承重100kg。
在本实施方式中，粒子收集器2整体外观呈漏斗状，其大端与外筒3连接，小端与支撑板11连接。进一步地，粒子收集器2包括收集筒体21和第二密封盖22，收集筒体21具有两端开口的收集腔，收集筒体21的上端与外层筒体31的下端连接，使得收集腔与容纳腔连通，收集筒体21的下端与支撑板11连接并连接有第二密封盖22。更进一步地，第二密封盖22螺纹连接于收集筒体21的下端，具体可选为32号的密封堵头。
图4中用箭头示出了本示踪粒子发生器中气流及示踪粒子100的流动路径，如图4所示，外部高压气流从进气管5进入内层筒体41的高压腔，在过滤器42下方形成局部高压，高压气流穿过过滤器42进入混合器，在过滤器42上放置的示踪粒子100跟随气流一起向上运动，实现气流和示踪粒子100的混合；气-固混合物从内层筒体41上的切向通孔43进入外层筒体31的容纳腔，并形成漩涡流动，在离心力和重力的作用下，体积与质量较大的示踪粒子100下落至外筒3下方的粒子收集器2中，此时，气流带动其他大小均匀的示踪粒子100从排气管6流出粒子发生器，进入流场试验段内部。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种示踪粒子发生器，其特征在于，包括：
支撑组件(1)；
粒子收集器(2)，所述粒子收集器(2)的一端与所述支撑组件(1)连接；
外筒(3)，包括具有两端开口的容纳腔的外层筒体(31)，所述外层筒体(31)的上端密封，下端连接所述粒子收集器(2)的另一端；
内筒(4)，设置在所述容纳腔中并与所述外层筒体(31)固连，所述内筒(4)包括内层筒体(41)，所述内层筒体(41)两端密封，所述内层筒体(41)中设置有过滤器(42)，所述过滤器(42)上铺设有示踪粒子(100)，所述过滤器(42)将所述内层筒体(41)的内腔分隔成上下设置的混合腔和高压腔，所述内层筒体(41)上连接有进气管(5)，所述进气管(5)的一端连通于所述高压腔，另一端连通至外部高压气源；所述内层筒体(41)于所述混合腔的腔壁上部沿周向开设有多个切向通孔(43)，所述切向通孔(43)被配置为能使从所述混合腔进入所述容纳腔的气-固混合物具有切向速度；
排气管(6)，设置在所述外筒(3)的顶部，且所述排气管(6)的一端与所述容纳腔连通，另一端连通于流场试验段。
2.根据权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述外筒(3)还包括第一密封法兰(32)和第二密封法兰(33)，所述第一密封法兰(32)密封盖设在所述外层筒体(31)的顶端，所述排气管(6)连接在所述第一密封法兰(32)上，所述第二密封法兰(33)连接在所述外层筒体(31)的侧壁上，所述第一密封法兰(32)和所述第二密封法兰(33)密封连接。
3.根据权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述内筒(4)还包括第一密封盖(44)和底板(45)，所述第一密封盖(44)和所述底板(45)分别密封连接在所述内层筒体(41)的顶端和底端。
4.根据权利要求3所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述过滤器(42)为平板过滤器，所述平板过滤器平行于所述底板(45)。
5.根据权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述内筒(4)和所述外筒(3)同轴设置。
6.根据权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述切向通孔(43)的轴线与所述内层筒体(41)筒壁的法线之间具有预设夹角。
7.根据权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述混合腔的容积大于所述高压腔的容积。
8.根据权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述粒子收集器(2)呈漏斗状。
9.根据权利要求1所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述支撑组件(1)包括支撑板(11)和若干滚动单元(12)，所述粒子收集器(2)连接于所述支撑板(11)，若干所述滚动单元(12)间隔设置在所述支撑板(11)的下表面。
10.根据权利要求9所述的示踪粒子发生器，其特征在于，所述粒子收集器(2)包括具有两端开口的收集腔的收集筒体(21)和第二密封盖(22)，所述收集筒体(21)的上端与所述外层筒体(31)的下端连接，所述收集腔与所述容纳腔连通，所述收集筒体(21)的下端与所述支撑板(11)连接并连接有第二密封盖(22)。
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