CN112229597A - 一种用于大型高速风洞piv试验的示踪粒子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器。该粒子发生器的罐体的顶部固定有罐体上盖板，罐体上盖板上开有示踪粒子出口，底部固定有溶剂排出口，内装溶剂，溶剂液面上方固定有内部挡板，外壁固定有液位计。示踪粒子排出驱动管路伸入至罐体的上部、溶剂的液面上方；Laskin喷嘴管路以示踪粒子排出驱动管路为中心均匀分布，Laskin喷嘴管路伸入至罐体的下部浸入溶剂中并分布有Laskin喷嘴。Laskin喷嘴管路进气口与示踪粒子出口交错排列。示踪粒子排出驱动管路和Laskin喷嘴管路进气口外接中压气源。该示踪粒子发生器生成的示踪粒子的跟随性和光散射性较好，浓度合适，能够满足2米量级大型跨声速风洞的跨声速流场PIV测量试验需求。

Description

一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器

技术领域

本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器。

背景技术

PIV技术是利用双脉冲激光照射到被测对象(比如风洞的气流)、在被测对象中撒播示踪粒子、获得连续2幅粒子图像、利用互相关算法得到粒子位移，从而最终得到示踪粒子速度。由于示踪粒子跟随被测对象运动，因此所测得的粒子速度也就可以认为是被测对象的速度(前提是粒子能够真实跟随被测对象)。PIV试验中，示踪粒子的跟随性、光散射特性和浓度对试验数据质量起决定性作用。

示踪粒子的跟随性和光散射特性主要取决于示踪粒子材料的密度和粒径，对于相同的示踪粒子材料，示踪粒子的粒径越小，跟随性就越好，数据可信度越高，但粒径太小会导致粒子亮度变差，影响原始图像的信噪比；相反，粒径越大，粒子亮度越高，图像信噪比越好，但跟随性会变差。在进行示踪粒子发生器设计时，必须根据实际应用需求，选择合适的示踪粒子制备方法，保证示踪粒子在跟随性和光散射性方面取得一个良好的平衡。

目前，PIV试验研究主要集中在低速风洞，相比高速风洞，低速风洞运行时间长，风速较低，示踪粒子发生和流量控制难度相对较低。高速风洞方面，主要集中在小尺寸研究性高速风洞，该类风洞试验段流量小，对示踪粒子发生量要求较低，市面上的小型商用粒子发生器即可满足粒子浓度需求。

随着飞行器研制需求的不断提高，越来越多的飞行器需要在大尺寸风洞中开展试验研究，大尺寸风洞的模型外形模拟更加真实，试验雷诺数高，更有利于还原飞行器真实流动状态。因此，在大型高速风洞中开展PIV试验研究的需求也越发迫切。

在大型高速风洞中开展PIV试验，还必须考虑示踪粒子材料对洞体的污染问题。高速流场中通常使用两类示踪粒子：一种是固态微粒，一种是液态微粒。固态微粒的优点在于粒径可控性好，粒径较小，具有良好的流动跟随性，同时光散射性极佳，图像信噪比很高。此外，固态微粒的物理特性也比较稳定可靠。固态微粒的缺点在于对风洞洞体的污染比较严重，跨声速风洞结构形式比较复杂，其试验段外面通常还有一个大尺寸的驻室，试验段与驻室气流相通，固态微粒不仅会附着在风洞内流道表面，还会通过开孔壁或者开槽壁进入驻室内部。驻室内部通常放置有大量精密测试仪器和装置，无法接受大量固态微粒的附着污染。此外，固态微粒被吸入风洞操作人员体内，也会对健康造成伤害。因此，只能考虑液态示踪粒子。液态示踪粒子有多种制备方法，其中包括Laskin喷嘴雾化方法、超声雾化方法等等。不同的制备方法采用的示踪粒子材料有所不同，产生的粒子粒径也有差别。通常，超声雾化产生的粒子粒径相对较大，其平均直径3μm～10μm之间，比较适合低速流场的PIV试验；采用Laskin喷嘴对油性液体进行雾化处理，将气流从直径为1mm的小孔中高速射入油性液体中，其剪切作用可产生大量直径1μm左右的液态微粒，微粒混合在气泡中浮出液体表面，由气流驱动进入风洞内部。根据相关文献的结论，直径为1μm左右的液态粒子非常适合作为高速流动PIV测试的示踪粒子，其气流跟随性和光散射性都相对比较均衡。

当前，亟需发展一种基于Laskin喷嘴的专用于大型高速风洞PIV试验的液态示踪粒子发生器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器。

本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特点是，所述的粒子发生器的主体为粒子发生器罐体，粒子发生器罐体的顶部固定有罐体上盖板，罐体上盖板上开有示踪粒子出口，粒子发生器罐体的底部固定有溶剂排出口，粒子发生器罐体内装溶剂，粒子发生器罐体内溶剂液面上方固定有内部挡板，粒子发生器罐体的外壁固定有液位计；

示踪粒子排出驱动管路从罐体上盖板的中心穿过内部挡板伸入至罐体的上部、溶剂的液面上方；Laskin喷嘴管路以示踪粒子排出驱动管路为中心均匀分布，Laskin喷嘴管路主体为L型，L型的竖直段穿过内部挡板伸入至罐体的下部，L型的水平段浸入溶剂中，L型的水平段分布有Laskin喷嘴；

所述的Laskin喷嘴管路的Laskin喷嘴管路进气口与示踪粒子出口交错排列，示踪粒子出口的数量为N，N≥1；

所述的示踪粒子排出驱动管路和Laskin喷嘴管路进气口外接中压气源。

进一步地，所述的溶剂为DEHS溶剂。

进一步地，所述的罐体上盖板通过O型圈密封，同时通过盖板拉紧螺栓固定。

进一步地，所述的内部挡板通过挡板螺柱固定在罐体上盖板的下表面。

进一步地，所述的内部挡板为水平放置的平板，平板的边缘与罐体内壁之间留有缝隙。或者，所述的内部挡板为水平放置的孔板，孔板上开有阵列的通孔。

进一步地，所述的Laskin喷嘴管路的数量为6个。

进一步地，所述的Laskin喷嘴管路的水平段上套装有间距从内至外逐渐减小的并列的圆环，圆环上开有通孔，靠近通孔的水平段上开有Laskin喷嘴，通孔与Laskin喷嘴的内径相同。

进一步地，所述的Laskin喷嘴的喷出方向为水平方向。

本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器采用进口的DEHS溶剂作为示踪粒子材料，DEHS溶剂是PIV试验中广泛应用的一种示踪粒子材料，无色无毒带有黏性，相比常规的植物油，DEHS溶剂作为示踪粒子材料的物理和化学特性更加稳定，且有弱挥发性，对风洞的污染较小。

本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器基于Laskin喷嘴雾化原理设计，设计之前，试制了粒子发生器样品进行参数调试，发现粒子发生器的粒子生成效率主要取决于气流剪切示踪粒子溶剂的效率，而非Laskin喷嘴的数量。当Laskin喷嘴数量超过一定数量时，罐体内产生大量的气泡，反而导致喷嘴效率降低，此时，即使工作压力比较低，也很容易导致DEHS溶剂溢出。

本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，区别于常规的商用粒子发生器，具有以下几个特殊设计：

a.将Laskin喷嘴管路的主体为设计成L型，L型的水平段分布有Laskin喷嘴，即Laskin喷嘴为横置，横置的优点在于可以最大限度增大Laskin喷嘴与DEHS溶剂的接触面积，即使在液位较低时，所有Laskin喷嘴仍浸泡在溶剂里，大大提高了DEHS溶剂的利用率。市场上常见的商用粒子发生器通常将Laskin喷嘴纵置，在Laskin喷嘴管路上均匀布置多层Laskin喷嘴，使用时，并不能保证所有Laskin喷嘴位于DEHS溶剂的液面下方。Laskin喷嘴纵置结构简单，但缺点在于粒子发生器罐体内必须维持较高的DEHS溶剂液位，否则随着罐体内DEHS溶剂消耗，高位的Laskin喷嘴一旦暴露于溶剂的液面上方就会停止工作。

b.Laskin喷嘴管路的L型的水平段呈放射状布置，内环的Laskin喷嘴之间间距较大，外环的Laskin喷嘴之间间距较小，每一环喷嘴所占用的空间体积基本一致，提高了每一环的Laskin喷嘴的工作效率，防止局部区域出现大量空泡从而导致示踪粒子发生效率下降。

c.针对2米量级高速风洞的粒子浓度需求进行了估算，能够满足需求。

本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器具有更好的经济性和更高的粒子发生效率，生成的示踪粒子的跟随性和光散射性较好，示踪粒子的浓度合适，能够满足2米量级大型跨声速风洞的跨声速流场PIV测量试验需求。

附图说明

图1为本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器的结构示意图；

图2为本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器获得的2.4米跨声速风洞流场速度矢量图。

图中，1.粒子发生器罐体 2.罐体上盖板 3.盖板拉紧螺栓 4.内部挡板 5.挡板螺柱 6.Laskin喷嘴管路进气口 7.Laskin喷嘴管路 8.示踪粒子排出驱动管路 9.Laskin喷嘴 10.液位计 11.溶剂排出口 12.示踪粒子出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1所示，本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器的主体为粒子发生器罐体1，粒子发生器罐体1的顶部固定有罐体上盖板2，罐体上盖板2上开有示踪粒子出口12，粒子发生器罐体1的底部固定有溶剂排出口11，粒子发生器罐体1内装溶剂，粒子发生器罐体1内溶剂液面上方固定有内部挡板4，粒子发生器罐体1的外壁固定有液位计10；

示踪粒子排出驱动管路8从罐体上盖板2的中心穿过内部挡板4伸入至罐体的上部、溶剂的液面上方；Laskin喷嘴管路7以示踪粒子排出驱动管路8为中心均匀分布，Laskin喷嘴管路7主体为L型，L型的竖直段穿过内部挡板4伸入至罐体的下部，L型的水平段浸入溶剂中，L型的水平段分布有Laskin喷嘴9；

所述的Laskin喷嘴管路7的Laskin喷嘴管路进气口6与示踪粒子出口12交错排列，示踪粒子出口12的数量为N，N≥1；

所述的示踪粒子排出驱动管路8和Laskin喷嘴管路进气口6外接中压气源。

进一步地，所述的溶剂为DEHS溶剂。

进一步地，所述的罐体上盖板2通过O型圈密封，同时通过盖板拉紧螺栓3固定。

进一步地，所述的内部挡板4通过挡板螺柱5固定在罐体上盖板2的下表面。

进一步地，所述的内部挡板4为水平放置的平板，平板的边缘与罐体内壁之间留有缝隙。或者，所述的内部挡板4为水平放置的孔板，孔板上开有阵列的通孔。

进一步地，所述的Laskin喷嘴管路7的数量为6个。

进一步地，所述的Laskin喷嘴管路7的水平段上套装有间距从内至外逐渐减小的并列的圆环，圆环上开有通孔，靠近通孔的水平段上开有Laskin喷嘴9，通孔与Laskin喷嘴9的内径相同。

进一步地，所述的Laskin喷嘴9的喷出方向为水平方向。

实施例1

本实施例采用4台粒子发生器。粒子发生器外形尺寸为Φ700mm(外径)×530mm(高)，具有2个示踪粒子出口12，6根Laskin喷嘴管路7。每根Laskin喷嘴管路7的内径为Φ15mm，Laskin喷嘴9从内至外分为7环，各Laskin喷嘴9的位置上均对称分布2个直径

的喷出方向为水平的Laskin喷嘴9，即每根Laskin喷嘴管路7具有14个Laskin喷嘴9，每台粒子发生器具有84个Laskin喷嘴9。

Laskin喷嘴管路7的Laskin喷嘴管路进气口6连接DN15气源管路，示踪粒子出口12连接DN32软管接头。

本实施例获得了2.4米跨声速风洞流场的PIV试验结果，即如图2所示的试验马赫数为0.8的流场速度矢量图。从图2可以看出，本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器产生的粒子浓度和亮度都比较理想，完全能够满足PIV数据处理的需求，马赫数为0.8的PIV测速结果与风洞实际流速的最大偏差不超过3％，数据吻合度很好，示踪粒子的跟随性良好。

进一步试验发现，在马赫数0.3～马赫数0.9的范围内，PIV测速结果与风洞实际流速的最大偏差均不超过3％，说明了本发明的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器能够满足2米量级大型跨声速风洞的跨声速流场PIV测量试验需求。

Claims (9)

1.一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的粒子发生器的主体为粒子发生器罐体(1)，粒子发生器罐体(1)的顶部固定有罐体上盖板(2)，罐体上盖板(2)上开有示踪粒子出口(12)，粒子发生器罐体(1)的底部固定有溶剂排出口(11)，粒子发生器罐体(1)内装溶剂，粒子发生器罐体(1)内溶剂液面上方固定有内部挡板(4)，粒子发生器罐体(1)的外壁固定有液位计(10)；

示踪粒子排出驱动管路(8)从罐体上盖板(2)的中心穿过内部挡板(4)伸入至罐体的上部、溶剂的液面上方；Laskin喷嘴管路(7)以示踪粒子排出驱动管路(8)为中心均匀分布，Laskin喷嘴管路(7)主体为L型，L型的竖直段穿过内部挡板(4)伸入至罐体的下部，L型的水平段浸入溶剂中，L型的水平段分布有Laskin喷嘴(9)；

所述的Laskin喷嘴管路(7)的Laskin喷嘴管路进气口(6)与示踪粒子出口(12)交错排列，示踪粒子出口(12)的数量为N，N≥1；

所述的示踪粒子排出驱动管路(8)和Laskin喷嘴管路进气口(6)外接中压气源。

2.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的溶剂为DEHS溶剂。

3.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的罐体上盖板(2)通过O型圈密封，同时通过盖板拉紧螺栓(3)固定。

4.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的内部挡板(4)通过挡板螺柱(5)固定在罐体上盖板(2)的下表面。

5.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的内部挡板(4)为水平放置的平板，平板的边缘与罐体内壁之间留有缝隙。

6.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的内部挡板(4)为水平放置的孔板，孔板上开有阵列的通孔。

7.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的Laskin喷嘴管路(7)的数量为6个。

8.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的Laskin喷嘴管路(7)的水平段上套装有间距从内至外逐渐减小的并列的圆环，圆环上开有通孔，靠近通孔的水平段上开有Laskin喷嘴(9)，通孔与Laskin喷嘴(9)的内径相同。

9.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器，其特征在于，所述的Laskin喷嘴(9)的喷出方向为水平方向。

Images