CN113600073A - 固态示踪粒子发生器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种固态示踪粒子发生器，包括：粒子存储罐、磁力搅拌机构、端盖、进气口、出气口、进料口、进气盘管，其中，上述粒子存储罐，用于存储固态示踪粒子；上述端盖与上述粒子存储罐密封连接，上述端盖上设置上述进气口、上述出气口、上述加料口；上述进气盘管设置在上述粒子存储罐内部，上述进气盘管与上述进气口连接，上述进气盘管上设置多个送气孔，用于增强进入上述粒子存储罐内的气体与上述固态示踪粒子的混合；上述进料口，用于补充上述固态示踪粒子；上述出气口，用于连接外部检测设备；上述磁力搅拌机构，用于使上述固态示踪粒子进行旋转运动，以使上述固态示踪粒子与上述气体进行混合。
Description
技术领域
本公开涉及示踪激光测量技术领域，具体涉及一种固态示踪粒子发生器。
背景技术
粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)是一种瞬态、多点、非接触的激光速度场测量技术，相对于热线风速仪等侵入性测量技术，PIV既具备了单点测量技术的高精度和高分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。在全场测速领域中，PIV是一种成熟的技术，并迅速发展成为流场测量的标准方法。
PIV技术的基本原理是在待测流场中播撒适当浓度的示踪粒子，示踪粒子代表流场空间中相应的流体质点，粒子会随着流场运动而运动；使用脉冲激光片光源照射待测流场区域，通过连续两次或多次曝光，使用相机记录不同时刻下示踪粒子的位置信息，随后通过计算机的图像处理算法分析所拍摄的粒子图片，将粒子图片的位置信息和时间信息转换为流场流动的速度矢量信息，进而分析出流场的流动结构、涡量场等流动特性。其中，示踪粒子的产生和播撒是得到理想流场结果的前提和重要的影响因素。
示踪粒子发生器作为向待测流场中播撒示踪粒子的关键部件，在PIV测量系统中具有非常重要的作用。粒子发生器要求具有能够调节示踪粒子浓度的能力，并在一定时间内维持粒子浓度基本恒定，当粒子浓度较大时，采集的图像会出现团聚现象，当粒子浓度较低时，相机采集的图像会不明显，粒子的运动不充分，无法全面的表示出流场的真实结构。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种固态示踪粒子发生器，以期至少部分地解决上述技术问题。
本公开实施例提供了一种固态示踪粒子发生器，包括：粒子存储罐、磁力搅拌机构、端盖、进气口、出气口、进料口、进气盘管，其中，上述粒子存储罐，用于存储固态示踪粒子；上述端盖与上述粒子存储罐密封连接，上述端盖上设置上述进气口、上述出气口、上述加料口；上述进气盘管设置在上述粒子存储罐内部，上述进气盘管与上述进气口连接，上述进气盘管上设置多个送气孔，用于增强进入上述粒子存储罐内的气体与上述固态示踪粒子的混合；上述进料口，用于补充上述固态示踪粒子；上述出气口，用于连接外部检测设备；上述磁力搅拌机构，用于使上述固态示踪粒子进行旋转运动，以使上述固态示踪粒子与上述气体进行混合。
根据本公开实施例，上述进气盘管上设置多个送气孔，包括：上述进气盘管的上表面和/或侧表面上设置多个送气孔。
根据本公开实施例，上述送气孔的孔径沿进气气流方向逐渐增大。
根据本公开实施例，上述送气孔的孔径包括1～5mm。
根据本公开实施例，相邻两个上述送气孔之间的孔中心距包括5～10mm。
根据本公开实施例，上述固态示踪粒子发生器还包括加料管，与上述进料口连接；上述加料管上设置密封阀或封堵件。
根据本公开实施例，上述进气盘管与上述进气口连接包括：上述进气盘管与上述进气口通过螺纹或焊接方式固定连接。
根据本公开实施例，上述磁力搅拌机构包括：磁力搅拌转子和磁力电机底座，上述磁力搅拌转子设置在上述粒子存储罐内部，上述粒子存储罐放置在上述磁力电机底座上。
根据本公开实施例，上述磁力搅拌子包括圆柱形磁力搅拌子、十字形磁力搅拌子、齿轮形磁力搅拌子中的任意一种。
根据本公开实施例，上述端盖与上述粒子存储罐密封连接，包括：上述端盖与上述粒子存储罐通过螺栓或卡箍连接，上述端盖与上述粒子存储罐之间设置密封垫片。
根据本公开实施例，一方面，通过在粒子存储罐内设置进气盘管和磁力搅拌机构，使得气体通过进气盘管上的送气孔喷出多向气流，能够有效增强示踪粒子与气流在粒子存储罐内的混合，抑制示踪粒子在粒子存储罐内团聚现象，增大示踪粒子产出率，能够提高示踪粒子利用率。另一方面，通过在端盖上设置进料口，便于向粒子存储罐内添加示踪粒子。
附图说明
图1示意性地示出了固态示踪粒子发生器的结构示意图；
图2示意性地示出了进气盘管的结构示意图。
具体实施方式
关于固态示踪粒子发生器，相关技术中都存在一定的技术缺陷。
例如相关技术中将存储固态粒子的罐体和搅拌粒子的低速旋转机构相结合，在工作中来自空气压缩机等高压气源的高压空气通过环形进气腔的通孔喷射出来，形成轴向均匀的高速射流气流吹扫固态示踪粒子；与此同时，固态示踪粒子堆积体在低速旋转机构的作用下做不规则运动，增大了吹扫气流与固态示踪粒子的接触表面积，吹扫气体随即携带大量固态示踪粒子通过出气口进入粒子导出管，导出到相应的流场测量区域，最终实现速度场测量。或者是通过高速旋转的电机带动搅拌器对粒子进行搅拌，将电机和搅拌器通过传动盖集成在中间模块，罐状底座位于中间模块的下方形成粒子搅拌室，在进气孔只需增加常压气流，降低了实验的要求，且电机位于搅拌室上方避免粒子在重力作用下形成堆积，搅拌器采用矩形齿交错的叶片，能够有效搅拌粒子，避免粒子在第三腔体底部的沉积。
上述技术均采用旋转电机带动搅拌器对粒子进行搅拌，随后被搅拌器携带做旋转运动的粒子随着吹扫气流带出粒子发生器。虽然两种方案都提高了粒子发生器在小流量下播撒粒子的能力，但是由于搅拌转轴的存在，特别是PIV所使用的示踪粒子尺寸很小在几微米大小，使得粒子发生器在工作过程中搅拌轴与搅拌室之间存在密封问题，粒子容易随着电机转轴的空隙处泄漏；此外，微米级的示踪粒子在工作中也容易使转轴发生磨损和卡死，不利于示踪粒子发生器的长期使用。
而目前商用的固体粒子发生器Particle Blaster 110采用磁力搅拌棒对粒子进行搅拌，虽然避免了使用电机通过搅拌轴带动搅拌棒所存在的密封和磨损问题，但是该设计中进气口和出气口开在板盖上，而搅拌棒在粒子存储罐的底部，从上部进气口进入的气体无法充分利用搅拌棒的搅拌功能，特别是粒子较少时可能会存在搅拌棒只能使粒子在存储罐的下部搅拌，而需要携带粒子的气体主要在搅拌罐的上半部分进出，无法充分利用磁力搅拌的搅拌功能。而且，这种商用固态粒子发生器在补充粒子时，需要拆卸板盖，操作繁琐。
因此，本公开实施例提供了一种固态示踪粒子发生器，将存储固态示踪粒子的示踪粒子存储罐和搅拌粒子的磁力旋转机构结合起来，以期解决相关技术中的缺陷。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
本公开实施例提供了一种固态示踪粒子发生器，包括：粒子存储罐、磁力搅拌机构、端盖、进气口、出气口、进料口、进气盘管，其中，上述粒子存储罐，用于存储固态示踪粒子；上述端盖与上述粒子存储罐密封连接，上述端盖上设置上述进气口、上述出气口、上述加料口；上述进气盘管设置在上述粒子存储罐内部，上述进气盘管与上述进气口连接，上述进气盘管上设置多个送气孔，用于增强进入上述粒子存储罐内的气体与上述固态示踪粒子的混合；上述进料口，用于补充上述固态示踪粒子；上述出气口，用于连接外部检测设备；上述磁力搅拌机构，用于使上述固态示踪粒子进行旋转运动，以使上述固态示踪粒子与上述气体进行混合。
图1示意性地示出了固态示踪粒子发生器的结构示意图。
如图1所示，固态示踪粒子发生器，包括：粒子存储罐3、磁力搅拌机构12、端盖1、进气口4、出气口5、进料口7、进气盘管9，端盖1与粒子存储罐3连接，粒子存储罐3用于存储固态示踪粒子。端盖1上设置进气口4、出气口5、进料口7，粒子存储罐3内设置进气盘管9，进气盘管9与进气口4连接，进气盘管9上设置多个送气孔13，用于增强进入上述粒子存储罐内的气体与上述固态示踪粒子的混合。进料口7，用于补充上述固态示踪粒子；出气口5，用于连接外部检测设备；磁力搅拌机构12，用于使上述固态示踪粒子进行旋转运动，以使上述固态示踪粒子与上述气体进行混合。
本公开实施例中，一方面，通过在粒子存储罐内设置进气盘管和磁力搅拌机构，使得气体通过进气盘管上的送气孔喷出多向气流，能够有效增强示踪粒子与气流在粒子存储罐内的混合，抑制示踪粒子在粒子存储罐内团聚现象，增大示踪粒子产出率，能够提高示踪粒子利用率。另一方面，通过在端盖上设置进料口，便于向粒子存储罐内添加示踪粒子。
根据本公开实施例，上述进气盘管上设置多个送气孔，包括：上述进气盘管的上表面和/或侧表面上设置多个送气孔。
本公开实施例中，送气孔可以设置在进气盘管的上表面，也可以设置在进气盘管的侧表面，或者在进气盘管的上表面与侧表面均设置送气孔，可以通过进气盘管喷出的多向气流，增强示踪粒子与气流在粒子存储罐内的混合，抑制示踪粒子的团聚现象。但是，需要说明的是，送气孔应避免设置在进气盘管的下表面，以免与下方磁力搅拌转子带动的示踪粒子运动发生冲突。
根据本公开实施例，上述送气孔的孔径沿进气气流方向逐渐增大。
本公开实施例中，送气孔的孔径沿气流方向逐渐增大，可以保证气流的均匀性和送气孔喷出气体压力的平衡性。
根据本公开实施例，上述送气孔的孔径包括1～5mm，例如：1mm、2mm、3mm、5mm。
根据本公开实施例，相邻两个上述送气孔之间的孔中心距包括5～10mm，例如：5mm、8mm、10mm。
根据本公开实施例，进气盘管上孔径的数量和大小可以根据进气盘管的尺寸和粒子存储罐的尺寸进行调整。例如，进气盘管采用外径为10mm的不锈钢管或铜管，在上面分布直径为1～5mm的送气孔，送气孔的孔径沿气流方向逐渐增大，相邻的两个送气孔之间的孔径距离可以是6mm。
图2示意性地示出了进气盘管的结构示意图。
如图2所示，进气盘管9上设置送气孔13。送气孔的孔径沿圆周方向由圆周外侧至中心逐渐增大。
根据本公开实施例，进气盘管的形状包括但不限于如图2所示的圆形，还可以采用方形。
根据本公开实施例，上述固态示踪粒子发生器还包括加料管，与上述进料口连接；上述加料管上设置密封阀或封堵件。
如图1所示，加料管14与加料口7连接，加料管14上设有密封阀8。
本公开实施例中，在固态示踪粒子发生器上设置加料管，便于随时添加示踪粒子，在加料管上设置密封阀或封堵件，以防止示踪粒子泄漏。
根据本公开实施例，上述进气盘管与上述进气口连接包括：上述进气盘管与上述进气口通过螺纹或焊接方式固定连接。
本公开实施例中，进气口与进气盘管固定连接，气体的搅动是通过进气盘管上的送气孔喷出的气流结合磁力搅拌机构实现，进而减小了进气口与进气盘管之间的机械磨损，有效防止由于机械磨损导致的示踪粒子泄漏。
根据本公开实施例，上述磁力搅拌机构包括：磁力搅拌转子和磁力电机底座，上述磁力搅拌转子设置在上述粒子存储罐内部，上述粒子存储罐放置在上述磁力电机底座上。
如图1所示，磁力搅拌机构12包括磁力搅拌子10和磁力电机底座11，磁力搅拌子10设置在粒子存储罐3内部，粒子存储罐3放置在磁力电机底座11上。
根据本公开实施例，上述磁力搅拌子包括圆柱形磁力搅拌子、十字形磁力搅拌子、齿轮形磁力搅拌子中的任意一种。
本公开实施例中，采用磁力搅拌机构带动示踪粒子进行搅动，与相关技术中的机械搅拌棒相比，一方面减少了搅拌轴的存在带来的密封和磨损问题；另一方面通过调节磁力电机的功率可以控制磁力搅拌转子的转速，控制粒子发生器携带粒子的数量。
根据本公开实施例，上述端盖与上述粒子存储罐密封连接，包括：上述端盖与上述粒子存储罐通过螺栓或卡箍连接，上述端盖与上述粒子存储罐之间设置密封垫片。
如图1所示，端盖1与粒子存储罐3之间通过固定螺栓6连接，并在端盖1与粒子存储罐3之间设置密封垫片2。
本公开实施例中，端盖与粒子存储罐密封连接，可以有效避粒子存储罐内的示踪粒子泄漏。
下面结合图1进一步详细本公开提供的固态示踪粒子发生器的工作原理及流程如下：
在工作时，首先将示踪粒子盛放在于粒子存储罐3中；将磁力电机底座11放置于粒子存储罐3底部，然后打开磁力搅拌电机，利用同性相斥的原理使磁力搅拌子10转动带动示踪粒子在粒子存储罐3内发生搅拌，然后通入气体，气体通过进气盘管9上的送气孔13多向喷出，进气盘管9出口形成的多向气流和磁力搅拌转子10的做功使示踪粒子在粒子存储罐3内充分混合，随后气体携带粒子从出气口5喷出，最终导出到相应的流场测量区域实现流场速度场测量。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种固态示踪粒子发生器，包括：粒子存储罐、磁力搅拌机构、端盖、进气口、出气口、进料口、进气盘管，其中，
所述粒子存储罐，用于存储固态示踪粒子；
所述端盖与所述粒子存储罐密封连接，所述端盖上设置所述进气口、所述出气口、所述加料口；
所述进气盘管设置在所述粒子存储罐内部，所述进气盘管与所述进气口连接，所述进气盘管上设置多个送气孔，用于增强进入所述粒子存储罐内的气体与所述固态示踪粒子的混合；
所述进料口，用于补充所述固态示踪粒子；
所述出气口，用于连接外部检测设备；
所述磁力搅拌机构，用于使所述固态示踪粒子进行旋转运动，以使所述固态示踪粒子与所述气体进行混合。
2.根据权利要求1所述的固态示踪粒子发生器，其中，所述进气盘管上设置多个送气孔，包括：
所述进气盘管的上表面和/或侧表面上设置多个送气孔。
3.根据权利要求2所述的固态示踪粒子发生器，其中，所述送气孔的孔径沿进气气流方向逐渐增大。
4.根据权利要求2所述的固态示踪粒子发生器，其中，所述送气孔的孔径包括1～5mm。
5.根据权利要求2所述的固态示踪粒子发生器，其中，相邻两个所述送气孔之间的孔中心距包括5～10mm。
6.根据权利要求1所述的固态示踪粒子发生器，其中，所述固态示踪粒子发生器还包括加料管，与所述进料口连接；
所述加料管上设置密封阀或封堵件。
7.根据权利要求1所述的固态示踪粒子发生器，其中，所述进气盘管与所述进气口连接包括：
所述进气盘管与所述进气口通过螺纹或焊接方式固定连接。
8.根据权利要求1所述的固态示踪粒子发生器，其中，所述磁力搅拌机构包括：
磁力搅拌转子和磁力电机底座，所述磁力搅拌转子设置在所述粒子存储罐内部，所述粒子存储罐放置在所述磁力电机底座上。
9.根据权利要求8所述的固态示踪粒子发生器，其中，所述磁力搅拌子包括圆柱形磁力搅拌子、十字形磁力搅拌子、齿轮形磁力搅拌子中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的固态示踪粒子发生器，其中，所述端盖与所述粒子存储罐密封连接，包括：
所述端盖与所述粒子存储罐通过螺栓或卡箍连接，所述端盖与所述粒子存储罐之间设置密封垫片。
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| CN114252648A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-03-29 | 北京航空航天大学 | 示踪粒子发生器系统及其控制方法 |
| CN114252648B (zh) * | 2021-12-22 | 2023-05-09 | 北京航空航天大学 | 示踪粒子发生器系统及其控制方法 |
| CN115400666A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-11-29 | 上海市基础工程集团有限公司 | 用于盾构机的聚合物气动搅拌装置 |
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