CN113281533B - 基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置 - Google Patents

基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置 Download PDF

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Abstract

一种基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置及方法，包括：通过中段法兰盘密封连接的压差顶盖体和低压掺混罐体、位于压差顶盖体和低压掺混罐体内的搅拌装置、与压差顶盖体相连的粒子沙漏加注装置以及与低压掺混罐体相连的多级过滤大粒子收集装置。本发明能够实现气固浓度的稳定可调节以及设有对大粒子的多级过滤，较好地兼顾PIV示踪粒子的随流性，散光性，均匀性及浓度可控性技术难点，对类似涡结构流动，强旋流结构等复杂流动结构提供了一种有效的PIV固态粒子发生器。

Description

基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置
技术领域
本发明涉及的是一种激光测量领域的技术，具体是一种基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置名称。
背景技术
粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)是一种非接触式的单点、平面或者三维速度场测量技术，通过采用高速相机的拍摄随流粒子图像进行相关性算法实现非定常速度场的实时测量。其技术难点在于如何实现粒子的均匀化，随流特性，浓度可控，无毒、无腐蚀、化学性质稳定、方便清洁等需求；对于粒子布撒方式则要求密封不泄露至大气环境中。
目前已有的粒子发生器技术多采用单腔体式粒子搅拌方式。该类粒子发生器在搅拌轴附近不可避免会出现小粒子泄漏问题，同时由于粒子是通常温常压气体并随之带出粒子，导致粒子浓度无法实时精确可控，且粒子发生器往往直接在出气孔取气，容易吸附壁面大粒子或者粒子结团的现象，导致PIV拍摄粒子结果不佳。
发明内容
本发明针对现有技术粒子浓度不可控、密封性问题以及大粒子过滤的问题导致PIV拍摄粒子结果不佳的缺陷，提出一种基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置及方法，能够实现气固浓度的稳定可调节以及设有对大粒子的多级过滤，较好地兼顾PIV示踪粒子的随流性，散光性，均匀性及浓度可控性技术难点，对类似涡结构流动，强旋流结构等复杂流动结构提供了一种有效的PIV固态粒子发生器。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
本发明涉及一种基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置，包括：通过中段法兰盘密封连接的压差顶盖体和低压掺混罐体、位于压差顶盖体和低压掺混罐体内的搅拌装置、与压差顶盖体相连的粒子沙漏加注装置以及与低压掺混罐体相连的多级过滤大粒子收集装置。
所述的多级过滤大粒子收集装置包括若干单级过滤装置，每个单级过滤装置包括：粒子混合气腔体、大粒子收集腔体、密封盖以及粒子出气管，其中：粒子混合气腔体的上游设取气开口，粒子混合气腔体与大粒子收集腔体相连，通过粒子混合气腔体的凹腔构型以实现低压掺混罐体中壁面吸附的大粒子或结团粒子的过滤和分离，密封盖位于大粒子收集腔体底部，通过螺纹连接实现密封，用于拆卸，清理大粒子及维修，粒子出气管伸入粒子混合气腔体，在流场回流区涡旋中心取掺混均匀的粒子混合气，并通过粒子出气管实取气，采用多个单级过滤装置首尾连接，可实现大粒子的多级过滤收集，以避免粒子结团形成的大粒子混入气体中。
所述的凹腔构型是指：单级过滤装置粒子混合腔体，由低压掺混罐体中的粒子混合气进入凹腔构型的粒子混合腔体，通过凹腔回流区实现大粒子分离过滤。
所述的高压顶盖体的上端设有通气孔及连接航空插头孔，下端设有周向布置的八个孔点，以实现与中段法兰盘连接，该八个孔点内设有放置密封垫圈的凹槽实现高压密封。
所述的粒子沙漏加注装置位于中段法兰盘表面，包括：沙漏粒子加注体、粒子加注开关、沙漏法兰盘连接体，其中：沙漏粒子加注体上端设有粒子加注口，采用螺纹连接实现密封，粒子通过沙漏最小直径口位于沙漏加注体底面，实现控制粒子加注流量的控制，粒子加注开关与沙漏粒子加注体底部相连，通过沙漏法兰盘连接体实现粒子加注装置与中段法兰盘的表面密封连接。
所述的中段法兰盘的上表面周向均匀设有四个把手及相应连接孔位点，用于吊起法兰盘，方便安装，清理及维修。
所述的中段法兰盘的中心设有用于通过搅拌装置的通孔，中心通孔外围设有周向布置的八个用于连接高压顶盖体的孔位点，中心孔位点内设有放置密封垫圈的凹槽实现高压密封。
所述的中段法兰盘的外侧设有16个大孔，实现与低压掺混罐体的连接。
所述的低压掺混罐体的侧壁分别设有六个通气孔及出气孔，实现高压进气与取气。
所述的直流无刷电机处于高压顶盖体中，通过航插接头实现电线的外部连接。电机通过联轴器实现电机转轴与叶片转轴同步连接。电机的转动轴设有两个密封轴承，分别设于中段法兰盘轴通孔上端和下端，并用轴承压板实现轴承与中段法兰盘的连接。
所述的低压掺混罐体上设有可视窗，该可视窗位于低压掺混罐体侧壁，该可视窗采用耐高压石英玻璃法兰制成并通过螺纹活动设置于低压掺混罐体上以方便打开，实现内部维修与玻璃表面的清洁。
技术效果
本发明整体解决了现有技术的单腔体搅拌式粒子轴泄漏及壁面取气存在大粒子或结团粒子的缺陷；通过采用压差设计解决了粒子在轴处泄漏问题，并在出气口设计有大粒子一次收集及二次过滤装置，以实现粒子粒径的均匀性要求。与现有技术相比，本发明通过压差顶盖实现轴处的高低压差环境，解决粒子轴泄漏问题；基于粒子加注量及空气压力配比，可达到粒子浓度任意可调节及可重复；同时满足对50微米以上大结团粒径的过滤分离。综合以上性能以达到更好的固态粒子随流性要求。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为转动电机等相关的构造立体图；
图4为大粒子过滤装置及其回流区产生示意图；
图5为进气孔及出气孔位置示意图；
图中：1压差顶盖体、11航插接头、12排气孔、2电机、21电机支架、22联轴器、23a 上压板、23b下压板、24转轴、25搅拌反桨、3中段法兰盘、31法兰盘把手、32沙漏粒子加注装置、32a粒子加注孔、4低压掺混罐体、41进气取气孔、41a某一取气孔、42取气钢管、 51可视窗、52大粒子多级过滤装置、52a混合气腔体、52b大粒子收集腔体、52c密封盖、52d 粒子出气管。
图6为实施例强旋流示踪粒子图像三个典型时刻示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置，包括：依次相连的压差顶盖体1、中段法兰盘3和低压掺混罐体4以及位于其内部的搅拌机构，其中：粒子沙漏加注装置32设置于中段法兰盘3上表面，并通过直径5mm的粒子加注孔32a 实现粒子注入低压掺混罐体4，多级过滤大粒子收集装置设置于低压掺混罐体4的一侧。
所述的多级过滤大粒子收集装置采用多个单级过滤装置52首尾连接，可实现大粒子的多级过滤收集，以避免粒子结团形成的大粒子混入气体中，该大粒子多级过滤收集装置52包括：粒子混合气腔体52a，大粒子收集腔体52b，可拆卸密封底盘52c及直径为10mm的粒子出气钢管52d，其中：粒子混合气腔体52a的上游设取气开口，粒子混合气腔体52a与大粒子收集腔体52b相连，通过凹腔构型以实现低压掺混罐体4中壁面吸附的大粒子或结团粒子的过滤和分离，密封盖52c位于大粒子收集腔体52b底部，通过螺纹连接实现密封，用于拆卸，清理大粒子及维修，粒子出气管52d伸入粒子混合气腔体，在流场涡旋中心取掺混均匀的粒子混合气，并通过粒子出气管52d实取气。
所述的压差顶盖体1的壁厚优选为10mm，上表面设有排气孔12直径优选为5mm，并安有航插接头以实现电机2的电线排布连接。通过螺栓实现与中段法兰盘3的连接。压差顶盖中放置有搅拌机构。
所述的搅拌机构包括：依次相连的电机2、联轴器22、转轴24和搅拌反桨25，其中：电机2设置于电机支架21上且转速优选为240r/min，转轴24通过联轴器22以实现步进电机与轴24的连接，该转轴24纵穿过中段法兰盘3，在中段法兰盘轴通孔安有上压板23a和下压板23b以放置密封轴承。
所述的电机支架21设置于中段法兰盘3上。
所述的中段法兰盘3的壁厚优选为15mm，该中段法兰盘3分别连接压差顶盖体1及低压掺混罐体4。在中心处设有轴通孔以穿过电机转轴24，轴通孔在中段法兰盘上下表面设有凹槽以放置上下压板23a及23b。
所述的中段法兰盘3上表面周向均匀布置四个把手31，用于吊起法兰盘，方便安装，清理及维修。
所述的低压掺混罐体4上端通过螺栓与中段法兰盘3相连，该低压掺混罐体4内设有反桨25及反桨转轴24。当高压气5MPa与粒子共同注入低压掺混罐体4之后，开启电机2实现粒子与气体的均匀搅拌。混合粒子气通过低压掺混罐体4周向均匀布置的8个取气口41，并与取气钢管42连接，通入大粒子多级过滤收集装置52中。
所述的可视窗51设置于低压掺混罐体侧表面，可视窗玻璃厚度优选为10mm以承受高压混气，用于方便观测粒子掺混均匀性及浓度。
本实施例通过以下操作实现固态示踪粒子布撒：
步骤1)打开沙漏粒子加注装置52，将粒子注入沙漏粒子加注并加满，以实现多次使用。
步骤2)打开粒子加注开关，粒子以匀速注入低压掺混罐体4。计时加注10s，关闭粒子加注开关，并关闭沙漏粒子加注口。
步骤3)将压差顶盖体1上表面的通气孔12及低压掺混罐体4表面的某一个出气孔41 连接至同一压缩高压空气源注入5MPa高压气。
步骤4)待高压气注入稳定后，先关闭连接出气孔41的钢管，并继续往压差顶盖体1中注入高压气至5.2MPa后停止注气，0.2MPa压差可以满足粒子不从转轴24连接上下压板处23a 及23b泄漏。
步骤5)打开电机2并调节电机转速，通过可视窗51观察粒子掺混均匀程度。
步骤6)待粒子基本掺混均匀后关闭电机2，后从多级大粒子过滤收集装置52的粒子出气钢管52d实现取气。当出现其他情况时，将高压气排出后，打开可视窗51进行检修亦或是将中段法兰盘通过四个把手吊起进行检修。
本发明通过储气罐式粒子沙漏加注设计实现有限空间高压气的粒子浓度均匀可调节，并在取气口采用大粒子多级过滤收集装置实现粒子粒径的二次过滤。通过上下压差的气罐解决粒子从电机轴处泄漏问题。可视窗的设计满足实验者对粒子搅拌均匀程度的可视化观测，并实时调节电机以调节搅拌反桨转速实现针对不同流动下的均匀PIV固态粒子布撒方式。
经过具体实际实验，在设计的强旋流装置的具体环境设置下为例，以30L/min空气启动/运行上述装置，针对该实际试验，基于理论分析获得预期的粒径大小范围。
基于随流性理论，粒子的St数需要小于1可保证粒子随流特性：
Figure BDA0003074092320000041
其中：粒子运动的特征时间为：
Figure BDA0003074092320000051
其中：ρp为粒子密度，dp为颗粒粒径，μg为气体动力粘性。气体运动特征时间可表示为：
Figure BDA0003074092320000052
其中：l为旋流回流区长度，一般约为出口直径d的2-3倍：l～κ·d(κ≈2～3)。U为出口速度，其计算可以考虑总流量为
Figure BDA0003074092320000053
获得，其中S为旋流器出口面积，S＝πd2/4，d为出口直径。基于St＜1则可以获得：
Figure BDA0003074092320000054
按照本实施例，标准状态下空气动力粘性μg＝17.9×10-6Pa·s，空气密度ρg＝1.2kg/ m3，旋流器出口直径d＝24mm。选取氧化钛示踪粒子，其密度为ρp＝4.23×103kg/m3。总流量随着工况的改变而改变，本实施例选取
Figure BDA0003074092320000059
基于以上数据可以获得示踪粒子直径需要在以下范围内：dp＜52μm。
另一方面，示踪粒子过小对于拍摄效果也不佳。为了得到较好的实验数据，一般示踪粒子在图像中直径dimage需要占2-3个图像像素点Δx。因此基于像素点给出的粒径大小范围为：
Figure BDA0003074092320000055
其中：L＝90mm为视窗区域大小，n＝1024为图像分辨率，为1024×1024，s＝15.9为图像缩放因子。同时考虑示踪粒子图像直径dimage需考虑粒子在一定光强下散射的Airy圆盘斑直径增加：
Figure BDA0003074092320000056
其中：f＝8为镜头光圈数量，λ＝532nm为激光波长。则可以获得粒子真实直径需要大于：
Figure BDA0003074092320000057
Figure BDA0003074092320000058
故本实施例所需示踪粒子直径范围为： 11.1μm＜dp＜52μm。
如图6所示，基于强旋流测试可以发现粒子粒径在预期范围之内时，达到效果。
综上，与现有技术相比，本发明将传统的单腔掺混罐体补充为双腔体设计；同时将传统直接取气口改进为经过大粒子多级过滤装置取气。基于压差顶盖体在轴处的0.2MPa压差环境可以解决粒子轴泄漏的问题；基于大粒子多级过滤装置时，实现壁面大粒子或结团粒子在经过粒子过滤凹腔后沉积到底部而保留随流性较好的小粒径示踪粒子。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种基于沙漏加注和多级过滤的固态示踪粒子布撒装置，其特征在于，包括：通过中段法兰盘密封连接的压差顶盖体和低压掺混罐体、位于压差顶盖体和低压掺混罐体内的搅拌装置、与压差顶盖体相连的粒子沙漏加注装置以及与低压掺混罐体相连的多级过滤大粒子收集装置；
所述的多级过滤大粒子收集装置包括若干首尾连接的单级过滤装置，每个单级过滤装置包括：粒子混合气腔体、大粒子收集腔体以及粒子出气管，其中：粒子混合气腔体的上游设取气开口，粒子混合气腔体与大粒子收集腔体相连，通过凹腔构型以实现低压掺混罐体中壁面吸附的大粒子或结团粒子的过滤和分离，粒子出气管伸入粒子混合气腔体，在流场涡旋中心取掺混均匀的粒子混合气并通过粒子出气管实取气；
所述的粒子沙漏加注装置位于中段法兰盘表面，包括：沙漏粒子加注体、粒子加注开关、沙漏法兰盘连接体，其中：沙漏粒子加注体上端设有粒子加注口，采用螺纹连接实现密封，粒子通过沙漏最小直径口位于沙漏加注体底面，实现控制粒子加注流量，粒子加注开关与沙漏粒子加注体底部相连，通过沙漏法兰盘连接体实现粒子加注装置与中段法兰盘的表面密封连接；
所述的固态示踪粒子布撒是指：
步骤1)打开沙漏粒子加注装置，将粒子注入沙漏粒子加注并加满，以实现多次使用；
步骤2)打开粒子加注开关，粒子以匀速注入低压掺混罐体，计时加注10s，关闭粒子加注开关，并关闭沙漏粒子加注口；
步骤3)将压差顶盖体上表面的通气孔及低压掺混罐体表面的某一个出气孔连接至同一压缩高压空气源注入5MPa高压气；
步骤4)待高压气注入稳定后，先关闭连接出气孔的钢管，并继续往压差顶盖体中注入高压气至5.2MPa后停止注气，0.2MPa压差可以满足粒子不从转轴连接上下压板处泄漏；
步骤5)打开电机并调节电机转速，通过可视窗观察粒子掺混均匀程度；
步骤6)待粒子基本掺混均匀后关闭电机，后从多级大粒子过滤收集装置的粒子出气钢管实现取气；当出现其他情况时，将高压气排出后，打开可视窗进行检修亦或是将中段法兰盘通过四个把手吊起进行检修；
所述的压差顶盖体的上端设有通气孔及连接航空插头孔，下端设有周向布置的八个孔点，以实现与中段法兰盘连接，该八个孔点内设有放置密封垫圈的凹槽实现高压密封；
所述的中段法兰盘的上表面周向均匀设有四个把手及相应连接孔位点，用于吊起法兰盘，方便安装，清理及维修；
所述的中段法兰盘的中心设有用于通过搅拌装置的通孔，中心通孔外围设有周向布置的八个用于连接高压顶盖体的孔位点，中心孔位点内设有放置密封垫圈的凹槽实现高压密封；
所述的低压掺混罐体的侧壁分别设有六个通气孔及出气孔，实现高压进气与取气；
所述的电机为直流无刷电机，其处于压差顶盖体中，通过航插接头实现电线的外部连接，电机通过联轴器实现电机转轴与叶片转轴同步连接，电机的转动轴设有两个密封轴承，分别设于中段法兰盘轴通孔上端和下端，并用轴承压板实现轴承与中段法兰盘的连接；
所述的低压掺混罐体上设有可视窗，该可视窗位于低压掺混罐体侧壁，该可视窗采用耐高压石英玻璃法兰制成并通过螺纹活动设置于低压掺混罐体上以方便打开，实现内部维修与玻璃表面的清洁。
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