CN113405768A - 一种基于纳米气泡技术的气流场piv示踪粒子制备装置及方法 - Google Patents

一种基于纳米气泡技术的气流场piv示踪粒子制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置及方法，其装置包括干燥腔、管路阀门、风机、高压氦气/氢气瓶、纳米气泡发生器、温度传感器、超声雾化装置、干燥管和热风机；高压氦气/氢气瓶通过纳米气泡发生器的进气口持续提供气源，同时通过纳米气泡发生器的进水口供水，进而生成氦气/氢气纳米气泡溶液，再通过超声雾化装置进行雾化，喷入干燥腔中，雾化形成的小液滴在干燥气体环境中下落，形成的液滴在风机的作用下持续输送至气流场测试段。本发明的小液滴具有良好流场跟随性，内部大量纳米级空穴增强了对光的反射，使示踪粒子具有良好的光散射特性，完成实验后，将温度升高，由水生成的小液滴会升华和蒸发，不会污染实验环境。

Description

一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置及 方法
技术领域
本发明属于流场测量技术领域，具体涉及一种新型PIV示踪粒子制备装置。
背景技术
PIV(粒子图像测速)技术是一种基于图像互相关分析而建立的现代流场测量技术。该技术整合了显示测量技术和单点测量技术两者的优点，不但可以显示所测流场整体结构而且保证了测量的分辨率和精度。该技术能够在对流场不产生任何干扰的前提下，实现对流场瞬态的测量，而且分辨率和精度都非常高。PIV流场测量技术的非接触、无干扰等优点使其成为目前流动测量领域最常用的方法。
PIV技术的基本原理是向流体中均匀播撒示踪粒子，然后利用激光器发射脉冲激光在流场中形成片光平面，流场中的示踪粒子从而发生反射或荧光显示；在片光平面的垂直方向布置相机，通过采用同步器使相机在激光的脉冲时刻进行曝光，捕捉粒子图像，然后存储到计算机中；计算机用相关算法对前后两张图像比较分析进而获得粒子位移，从而得出全流场的速度矢量图。从本质上讲，PIV测得的是流场中粒子的速度，是利用布撒在流体中的跟随性较好的示踪粒子代表粒子所在位置的流场速度。
示踪粒子是完成PIV测量的必备条件之一，示踪粒子的自身特性直接影响测量结果的有效程度。由于PIV技术是利用布撒在流体中跟随性较好的示踪粒子的速度来代替流场的速度信息，因此示踪粒子的流动性能、光学性能等特性都会对PIV的结果产生较大的影响。另外，示踪粒子的尺寸也是非常重要的，尺寸合适的粒子才能保证测量的精度。示踪粒子尺寸的选择要考虑以下几个方面:粒子尺寸与被测区域相比要足够小，粒子直径小，PIV测量才具有良好的测量精度；同时粒子大小必须满足图像采集系统成像的要求，粒子太小不容易成像，并且容易受噪点的干扰，导致影响测量精度。因而只有对示踪粒子进行正确的选择才能够得到更加准确的流场流动特性。
目前，实验中常用的PIV示踪粒子主要分为以下几类：第一类是把液体雾化成液滴作示踪粒子，比如石蜡油的雾化，尽管这类示踪粒子在流场中跟随性好，但是会带来污染；第二类为二氧化钛颗粒、二氧化硅颗粒、三氧化二铝颗粒、氧化镁颗粒、玻璃微珠、滑石粉、铝粉、镁粉等，由于这类示踪粒子密度高，因此在某些流场中跟随性较差；第三类为聚苯乙烯等高分子颗粒，这类示踪粒子的密度大约为1.1g/cm3，流场跟随性较好，但是这类示踪粒子制备成本很高。
示踪粒子要同时具有良好的散射特性和跟随性，然而现有制备方法不能同时满足上述要求，有必要建立一种新的示踪粒子制备方法。本发明通过制备包含大量纳米级空穴的微米级小液滴，由于密度较低使其同时具备良好的散射特性和跟随性，并且该示踪粒子制备成本较低。
发明内容
本发明的目的是制备一种新型PIV示踪粒子，该PIV示踪粒子以水、氦气/氢气为材料，结构为包含大量纳米级空穴的微米级小液滴。PIV示踪粒子的粒度为1μm-5μm，密度为0.80g/cm3～0.95g/cm3，粒度分布较窄，同时具有良好的流场跟随性以及光散射特性，此外该新型PIV示踪粒子的制备成本较低。
本发明的另一目的是提出一种制备新型PIV示踪粒子的方法。其中通过纳米气泡发生器降低液体的密度，然后通过超声雾化装置把氦气/氢气纳米气泡溶液雾化为小液滴，使其具有良好的流场跟随性；其中干燥腔持续通入干燥热空气作为干燥介质，进一步降低了小液滴的直径，提高了示踪粒子的流场跟随性；此外微米液滴内部大量纳米级的空穴增强了对光的反射，使光很难透射，从而使示踪粒子具有良好的光散射特性。
本发明所采用的技术方案是：一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，包括干燥腔、管路阀门、风机、高压氦气/氢气瓶、纳米气泡发生器、温度传感器、超声雾化装置、干燥管和热风机；高压氦气/氢气瓶通过纳米气泡发生器的进气口持续提供气源，同时通过纳米气泡发生器的进水口供水，进而生成氦气/氢气纳米气泡溶液，再通过超声雾化装置进行雾化，喷入干燥腔中，热风机通过干燥管向干燥腔中通入干燥的空气；雾化形成的小液滴在干燥气体环境中下落，最终形成粒径在1μm～5μm之间的液滴；形成的液滴在风机的作用下持续输送至气流场测试段；此外可以根据干燥腔上的温度传感器显示的温度来调节热风机，使干燥腔处于合适的温度范围内(50℃至90℃)。
本发明一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其中的纳米气泡发生器按照工作原理可以分为文丘里管法、超声空化法和机械剪切法。由于机械剪切法成本较低，生产效率高，在工业界得到了广泛的应用。本发明采用机械剪切法纳米气泡发生器来生产纳米气泡溶液。机械剪切法是指当把气体通入液体中，由于气液两相的存在，液体中就会产生大气泡，大气泡再经过叶片、螺纹等部件的高速搅拌和剪切，进而形成了纳米气泡。纳米气泡发生器的气体流量范围可以为0.1L/h-0.5L/h，液体流量范围可以为1L/h-3L/h。纳米气泡发生器的使用降低了液体的密度，使后续生成的小液滴具有良好的流体跟随性。
本发明一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其中的超声雾化装置分为压电式超声雾化装置和流动力式超声雾化装置。衡量雾化器雾化性能的重要指标是雾滴索特平均直径和雾滴直径分布。本发明所用超声雾化装置每小时的雾化量为100ml/h-200ml/h，该装置的索特平均直径范围为3μm-7μm，雾滴直径范围为1μm-10μm。超声雾化装置把氦气/氢气纳米气泡溶液雾化为小液滴，进一步提高了其流场跟随性。
本发明一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其中的干燥腔包括锥形顶盖、圆柱状本体和便于收集液滴的锥形底盖三个部分。超声雾化装置安装在顶盖的上端，干燥管入口分别安装在顶盖下端的圆锥面和圆柱状本体上。
本发明一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其中的温度传感器安装于干燥腔的圆柱状本体上，该温度传感器需要测量的温度范围在0℃～100℃之间。
本发明为一种新型PIV示踪粒子制备装置，其对应一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备方法的操作步骤为：
第一步，打开高压氦气/氢气瓶的阀门，通过纳米气泡发生器的进气口持续提供气源，同时通过纳米气泡发生器的进水口供水，在纳米气泡发生器的作用下进而生成氦气/氢气纳米气泡溶液；
第二步，打开超声雾化装置对氦气/氢气纳米气泡溶液进行雾化，并喷入干燥腔中；
第三步，超声雾化装置形成的小液滴在干燥腔内下落干燥，进而形成更小粒径的液滴；
第四步，打开管路开关，干燥腔内形成的粒径在1μm-5μm液滴在风机的作用下持续输送送至气流场测试段。
本发明一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备方法，在第三步中增加热风机通过干燥管向干燥腔中通入干燥的空气，干燥腔的温度范围在0℃～100℃之间。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.通过纳米气泡发生器降低液体的密度，然后通过超声雾化装置把氦气/氢气纳米气泡溶液雾化为小液滴，使其具有良好的流场跟随性；
2.内部大量纳米级的空穴增强了对光的反射，使光很难透射，从而使示踪粒子具有良好的光散射特性。
3.完成实验后，将温度升高，由水生成的小液滴会升华和蒸发，不会污染实验环境。
附图说明
图1为一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置示意图。
图中：1-干燥腔、2-管路阀门、3-风机、4-高压氦气/氢气瓶、5-纳米气泡发生器、6-温度传感器、7-超声雾化装置、8-干燥管、9-热风机。
具体实施方式
本发明所述的一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，如图1所示，包括干燥腔1、管路阀门2、风机3、高压氦气/氢气瓶4、纳米气泡发生器5、温度传感器6、超声雾化装置7、干燥管8和热风机9。打开高压氦气/氢气瓶4的阀门，使其通过纳米气泡发生器5的进气口持续提供气源，同时通过微纳米气泡发生器5的进水口供水，在微纳米气泡发生器5的作用下进而生成氦气/氢气纳米气泡溶液，随后开启超声雾化装置7对氦气/氢气纳米气泡溶液进行雾化，并喷入干燥腔1中；热风机9通过干燥管8向干燥腔1中通入干燥的空气，超声雾化装置7形成的小液滴在干燥的气体环境通过蒸发来减小粒径；最后打开管路阀门2，干燥腔1内形成的粒径在1μm-5μm之间的液滴在风机3的作用下持续输送至气流场测试段。此外还需保证装置整体的密封性，可以更精准地控制干燥箱内的温度和减少热损。
其中本发明一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备方法的一种实施例如下：
1.打开高压氦气/氢气瓶的阀门，使其通过纳米气泡发生器的进气口持续提供气源，氦气/氢气流量为0.2L/h，同时通过纳米气泡发生器的进水口供水，流量为2L/h，在纳米气泡发生器的作用下进而生成氦气/氢气纳米气泡溶液；每毫升液体中气泡的浓度可以达到数千万至数亿的量级，液体的密度降为0.80g/cm3-0.95g/cm3；
2.开启超声雾化装置对氦气/氢气纳米气泡溶液进行雾化，雾化流量为2L/h，雾化得到的液滴尺寸为1μm-10μm，随后喷入干燥腔中；
3.超声雾化装置形成的小液滴在干燥热气体环境中下落，进一步通过蒸发获得粒径更小的液滴(直径在1μm-5μm之间)；
4.打开管路阀门，将干燥腔内形成的粒径在1μm-5μm的液滴送至气流场测试段。

Claims (8)

1.一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其特征在于：包括干燥腔、管路阀门、风机、高压氦气/氢气瓶、纳米气泡发生器、温度传感器、超声雾化装置、干燥管和热风机；高压氦气/氢气瓶通过纳米气泡发生器的进气口持续提供气源，同时通过纳米气泡发生器的进水口供水，进而生成氦气/氢气纳米气泡溶液，再通过超声雾化装置进行雾化，喷入干燥腔中，热风机通过干燥管向干燥腔中通入干燥的空气；雾化形成的小液滴在干燥气体环境中下落，最终形成粒径在1μm～5μm之间的液滴；形成的液滴在风机的作用下持续输送至气流场测试段；干燥腔包括锥形顶盖、圆柱状本体和便于收集液滴的锥形底盖三个部分，超声雾化装置安装在顶盖的上端，干燥管入口分别安装在顶盖下端的圆锥面和圆柱状本体上。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其特征在于：根据干燥腔上的温度传感器显示的温度来调节热风机，使干燥腔温度范围为50℃-90℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其特征在于：纳米气泡发生器按照工作原理采用文丘里管法、超声空化法或机械剪切法。
4.根据权利要求3所述的一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其特征在于：采用机械剪切法纳米气泡发生器来生产纳米气泡溶液，气体流量范围为0.1L/h-0.5L/h，液体流量范围为1L/h-3L/h。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其特征在于：超声雾化装置采用压电式超声雾化装置或流动力式超声雾化装置，每小时的雾化量为100ml/h-200ml/h，索特平均直径范围为3μm-7μm，雾滴直径范围为1μm-10μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备装置，其特征在于：温度传感器安装于干燥腔的圆柱状本体上，该温度传感器需要测量的温度范围在0℃～100℃之间。
7.一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，打开高压氦气/氢气瓶的阀门，通过纳米气泡发生器的进气口持续提供气源，同时通过纳米气泡发生器的进水口供水，在纳米气泡发生器的作用下进而生成氦气/氢气纳米气泡溶液；
第二步，打开超声雾化装置对氦气/氢气纳米气泡溶液进行雾化，并喷入干燥腔中；
第三步，超声雾化装置形成的小液滴在干燥腔内下落干燥，进而形成更小粒径的液滴；
第四步，打开管路开关，干燥腔内形成的粒径在1μm-5μm液滴在风机的作用下持续输送送至气流场测试段。
8.根据权利要求7所述的一种基于纳米气泡技术的气流场PIV示踪粒子制备方法，其特征在于：在第三步中增加热风机通过干燥管向干燥腔中通入干燥的空气。
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