CN113640543A - 一种非恒定流中示踪粒子自动投放装置及投放控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非恒定流中示踪粒子自动投放装置及投放控制方法，装置包括示踪粒子搅拌装置、示踪粒子运输系统以及投放控制系统；投放控制系统包括高度可调的测桥、无线旋桨式流速仪、流量控制仪和电脑设备。通过高度可调的测桥实时跟踪水槽内的水位过程，实时调整测桥上的无线旋桨式流速仪位置，由连接电脑的无线传输模块反馈给流量控制仪，流量控制仪根据流速信息实时调节水泵的功率及开启时长，待搅拌装置将示踪粒子混合均匀后将示踪粒子以溶液的形式投放入水槽。本发明能够准确、迅速测定断面平均流速，并根据流速实时调节示踪粒子投放时的源密度，保证示踪粒子在水槽中的浓度恒定。

Description

一种非恒定流中示踪粒子自动投放装置及投放控制方法

技术领域

本发明属于流体力学和河流动力学领域，对大型明渠水槽中进行粒子图像测速法(PIV)时示踪粒子的投放方法进行了改进，具体涉及非恒定流中示踪粒子自动投放装置及投放控制方法。

背景技术

对流场的测量通常会用到粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry)，简称PIV，使用PIV测量二维流场时，需要在待测液体中投放示踪粒子，通过激光片光源打亮待测区域，分析待测区域同样位置的相邻两帧中每个示踪粒子的位移计算出该示踪粒子所在点的速度矢量（分区测量原理如图9），从而最终得到整个流场。

所拍摄图像中粒子的均匀程度是影响测量结果的重要参数。示踪粒子的选择需要满足跟随性、散光性良好并且比重与流体相当，一般选用空心玻璃珠或者PSP粒子（采用特殊工艺的示踪粒子，使粒子生成多面聚合非球形的表面构造，这种构造使粒子的表面积相较球形粒子大大增加，从而大幅提高粒子的反光强度。），示踪粒子价格较为昂贵。

示踪粒子的投放均匀与否，流速改变时在流体中的浓度是否保持恒定，是PIV实验成功与否的关键，前人大都采用手动投放或者水泵抽取示踪粒子溶液两种方式。手动投放是在小容器中配置示踪粒子混合溶液后将溶液倒入待测流体中，此方法首先不能保证示踪粒子在溶液中混合均匀，其次在待测流体体积较大的情况下工作量较大，耗资大且难以保证一定浓度和均匀性，尤其是在非循环的大型明渠水槽。

水泵抽取示踪粒子溶液方式是将溶液通过橡胶管泵送至待测流体的方法，该方法不能保证示踪粒子在流体中混合均匀，流速发生变化时，无法实时调整示踪粒子的投放量。

发明内容

发明目的：为了解决上述现存的困难，本发明提供一种非恒定流中示踪粒子自动投放装置及投放控制方法，使得待测流体内的示踪粒子尽可能均匀分布，且满足待测流体流速改变时保证示踪粒子浓度恒定的要求，以利于优质实验数据的获取。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种非恒定流中示踪粒子自动投放装置，包括：

示踪粒子搅拌装置；

示踪粒子运输系统，包括吸水管、输水管、水泵、全断面粒子投放装置以及整流格栅，其中，所述吸水管一端与示踪粒子搅拌装置连通，另一端依次通过所述输水管、水泵与所述全断面粒子投放装置相连，所述全断面粒子投放装置设置在水槽中，全断面粒子投放装置上面向水槽下游处设有粒子投放口，所述粒子投放口均匀分布在整个水槽断面，所述整流格栅安装在水槽中，位于所述全断面粒子投放装置下游；

所述水泵通过信号传输线与流量控制仪连接；

高度可调的测桥，安装在全断面粒子投放装置上游，其上设有用于检测水流流速的流速检测单元和检测水位高度的水位检测单元；

所述流速检测单元检测的流速信息和所述水位检测单元检测的水位高度信息通过无线传输模块传输给控制模块的信号输入端；

控制模块的信号输出端与所述流量控制仪、高度可调的测桥连接；

PIV待测激光平面布设在所述全断面粒子投放管所在顺水流方向的竖直平面，用于测量二维流场。

所述示踪粒子搅拌装置为一搅拌桶，桶内安装中心转轴、旋桨与转动轴承，所述旋桨分上、下两层布置在所述搅拌桶内的中心转轴上，所述中心转轴与所述搅拌桶底部通过转动轴承连接，所述旋桨通过所述流量控制仪调节转速。

所述高度可调的测桥包括：

桥墩，包括两个，两个桥墩跨设于所述水槽两侧，每个桥墩之上设有一个高度控制装置，两个高度控制装置之间连接桥梁；

流速检测单元，包括无线旋桨式流速仪，无线旋桨式流速仪用于检测水槽内水流的实时流速，所述流速检测单元安装在桥梁上；

水位检测单元，包括测针和针脚，所述测针上沿竖直方向设有检测不同高度水位的针脚，所述水位检测单元安装在桥梁上。

所述桥梁为型材。

所述全断面粒子投放装置包括多个垂直设置于水槽内的粒子投放管，多个粒子投放管沿水槽宽度方向均匀并排布置，每根粒子投放管上沿水深方向上均匀开设若干投放口。

所述整流格栅内有多层网格，用于促进示踪粒子与流体掺混。

所述控制模块为计算机。

一种基于所述非恒定流中示踪粒子自动投放装置的投放控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在示踪粒子搅拌装置中配制一定浓度的示踪粒子溶液，通过调整高度可调的测桥的桥梁高度，间接调整所述水位检测单元的高度以及使所述流速检测单元在0.6倍水深位置处，打开各处电源；

步骤二，根据示踪粒子源密度公式

，建立示踪粒子源密度与水流流速、流量控制仪功率与开启时长的对应关系，使流量控制仪能控制流体中示踪粒子的浓度为一恒定值；式中，

为流体中示踪粒子浓度；

为待测流体横截面积；

为水流流速；

为激光片光源厚度；

为粒子图像的直径；

M为成像放大倍率；

步骤三，水槽过流时，通过所述流速检测单元进行流速测量，带有无线传输模块的控制模块实时监测水位流速情况，根据步骤二计算得到的流量控制仪的功率和开启时长，由无线传输模块发送控制指令，将示踪粒子投放入水槽，示踪粒子经过整流格栅的充分掺混，以保证待测激光平面内示踪粒子均匀分布；

步骤四，水流流速和水位改变时，高度可调的测桥实时调整流速检测单元的高度位置，使得流速检测单元始终保持在0.6倍水深位置处；

流速发生变化时，流量控制仪根据接收到的调节指令，重新调整调节水泵的功率及开启时长。

有益效果：本发明非恒定流中示踪粒子自动投放装置，相比人工投放可极大减小工作量，在流体体积较大时可快速投放使示踪粒子浓度达到要求，且在流速实时改变时可自动调节，使得示踪粒子浓度始终保持恒定，提高拍摄得到的PIV粒子图像的质量，为获取优质的实验数据奠定基础。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种非恒定流中示踪粒子自动投放装置及投放控制方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1 是本发明实施例中非恒定流中示踪粒子自动投放装置三维示意图；

图2 是本发明实施例中非恒定流中示踪粒子自动投放装置整体俯视图；

图3 是本发明实施例中非恒定流中示踪粒子自动投放装置整体后视图本发明实施例中非恒定流中示踪粒子自动投放装置A-A剖面图；

图4 是本发明实施例中非恒定流中示踪粒子自动投放装置整体后视图；

图5 是搅拌桶中心轴处剖视图；

图6 是高度可调的测桥左视图；

图7 是水槽PIV实验中人工投放粒子在待测激光面处的分布效果图；

图8 是本发明应用于水槽PIV实验后粒子投放在待测激光面处的分布效果图；

图9 是PIV分区测量原理示意图；

其中，1：水槽；2：无线旋桨式流速仪；3：粒子投放管；4：流量控制仪；5：信号传输线；6：水泵；7：输水管；8：搅拌桶；9：搅拌桶旋桨；10：中心转轴；11：转动轴承；12：吸水管；13：粒子投放口；14：PIV待测激光面；15：高度可调的测桥；16：无线传输模块；17：电脑；18：整流格栅；19：控制台；151：测针；152：型材；153：高度控制装置；21：无线旋桨式流速仪下部转子。

具体实施方式

实施例

本实施例的非恒定流中示踪粒子自动投放装置如图1、图2、图3、图4所示，主要由示踪粒子搅拌装置、示踪粒子运输系统以及投放控制系统组成；

示踪粒子搅拌装置为一搅拌桶8，桶内安装中心转轴10、旋桨9与转动轴承11；

示踪粒子运输系统包括吸水管12、输水管7、水泵6、全断面粒子投放装置与整流格栅18，吸水管12伸入搅拌桶8中，与输水管7、水泵6、全断面粒子投放装置先后相连，水泵6通过信号传输线5与流量控制仪4连接，全断面粒子投放装置垂直于水槽1底面安装，全断面粒子投放装置上面向水槽下游处设有粒子投放口，所述粒子投放口均匀分布在整个水槽断面，所述整流格栅18安装在水槽中，位于所述全断面粒子投放装置下游；

投放控制系统包括高度可调的测桥15、无线传输模块16、电脑17、流量控制仪4、信号传输线5，高度可调的测桥15安装在全断面粒子投放装置上游，高度控制装置153分布在水槽1两侧，中间有型材152相连，无线旋桨式流速仪2安装于型材152上，型材152可带动无线悬桨式流速仪2上、下运动，流量控制仪4通过信号传输线5与水泵6连接，无线传输模块16安装在电脑17上。

如图5所示，搅拌桶8内旋桨9分上下两层布置在中心转轴10上，中心转轴10通过底部的转动轴承11安装在搅拌桶8中心，搅拌桶8内旋桨9保持匀速转动，使得桶内示踪粒子原溶液初步掺混。

如图3所示，粒子投放管3垂直于水槽1底部，沿宽度方向均匀布置5个，每个粒子投放管3上沿水深方向均匀设置10个粒子投放口13，每个粒子投放管3沿水槽横截面间隔10cm平均分布，保证粒子沿水深方向投放的浓度均匀，PIV待测激光平面14布设在所述粒子投放管3所在顺水流方向的竖直平面。

如图1所示，整流格栅18由多层密布的细网格组成，厚度为5~10cm，首先保证了示踪粒子与流体经过时两者得到充分掺混，其次可起到平稳水流的作用。

如图6所示，无线旋桨式流速仪2安装在高度可调的测桥15中间的型材152上，高度可调的测桥15的测针151有三条长短不一的针脚，将最长针脚恰好接触水面，水位上涨或下降时其余两针脚依次接触或脱离水面，依此监测水位变化，高度可调的测桥15实时跟踪水位，高度可调的测桥高度控制装置153调整无线旋桨式流速仪2在垂线上的位置，使得无线旋桨式流速仪2的下部转子21始终保持在0.6倍高度水深位置（通常在明渠水流中该位置的流速近似等于垂线平均流速）。

如图2所示，非恒定流中水位、流速变化时，无线旋桨式流速仪下部转子21沿垂线随之移动，测得的流速、水位信息经由无线传输模块16进入电脑17实现实时监控，经由无线传输模块16将调节指令传输到流量控制仪4，流量控制仪4控制水泵6功率及开启时长，根据示踪粒子源密度公式

，调整示踪粒子的源密度，以保持示踪粒子浓度恒定。

示踪粒子投放具体操作步骤如下：

1.在搅拌桶8中配制一定浓度的示踪粒子溶液，调整高度可调的测桥15的测针151高度，使其最长针脚恰好接触水面，调整型材152上的无线旋桨式流速仪2，使无线旋桨式流速仪下部转子21在0.6倍水深位置处，打开各处电源；

2.根据示踪粒子源密度公式

，建立示踪粒子源密度与水流流速的对应关系，率定示踪粒子源密度与水泵6功率、开启时长的对应关系，使流量控制仪4能控制流体中示踪粒子的浓度为一定值；

3.水槽1过流时，安装在高度可调的测桥15上的无线旋桨式流速仪2进行流速测量，带有无线传输模块16的电脑17实时监测水位流速情况，根据步骤二计算得到的流量控制仪4的功率和开启时长，由无线传输模块16发送控制指令，将示踪粒子投放入水槽，示踪粒子经过整流格栅18的充分掺混，以保证待测激光平面14内示踪粒子均匀分布；

4.水流流速和水位改变时，高度可调的测桥15的测针151始终保持与水面接触，并自动调整无线旋桨式流速仪2的高度位置，使得无线旋桨式流速仪2的下部转子21始终保持在0.6倍水深位置处。

在使用本装置进行示踪粒子投放之前，通常用人工投放的方式，由于示踪粒子的扩散需要时间，在水槽中往往不能达到均匀分布，如图7所示，人工投放的示踪粒子在水槽中分布不均可能造成流场信息缺失。水槽体积较大时，需要人工多次投放，示踪粒子价格较贵，极大增加了成本和工作量，且难以保证达到预定的浓度。

为了检验本发明的效果，进行了室内水槽非恒定流PIV测量实验，水槽宽1.2米，长10米，本发明所述装置安装在水槽上游。如图8所示，示踪粒子投放均匀，在水槽流量实时改变的情况下，示踪粒子浓度始终保持恒定。

由以上检验及分析可见，本专利装置的示踪粒子的投放均匀性非常好，在水槽过流为非恒定流时可做到及时响应流量变化，自动调整示踪粒子源浓度。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种非恒定流中示踪粒子自动投放装置，其特征在于，包括：

示踪粒子搅拌装置；

示踪粒子运输系统，包括吸水管、输水管、水泵、全断面粒子投放装置以及整流格栅，其中，所述吸水管一端与示踪粒子搅拌装置连通，另一端依次通过所述输水管、水泵与所述全断面粒子投放装置相连，所述全断面粒子投放装置设置在水槽中，全断面粒子投放装置上面向水槽下游处设有粒子投放口，所述粒子投放口均匀分布在整个水槽断面，所述整流格栅安装在水槽中，位于所述全断面粒子投放装置下游；

所述水泵通过信号传输线与流量控制仪连接；

高度可调的测桥，安装在全断面粒子投放装置上游，其上设有用于检测水流流速的流速检测单元和检测水位高度的水位检测单元；

所述流速检测单元检测的流速信息和所述水位检测单元检测的水位高度信息通过无线传输模块传输给控制模块的信号输入端；

控制模块的信号输出端与所述流量控制仪、高度可调的测桥连接；

PIV待测激光平面布设在所述全断面粒子投放管所在顺水流方向的竖直平面，用于测量二维流场。

2.根据权利要求1所述的非恒定流中示踪粒子自动投放装置，其特征在于，所述示踪粒子搅拌装置为一搅拌桶，桶内安装中心转轴、旋桨与转动轴承，所述旋桨分上、下两层布置在所述搅拌桶内的中心转轴上，所述中心转轴与所述搅拌桶底部通过转动轴承连接。

3.根据权利要求1所述的非恒定流中示踪粒子自动投放装置，其特征在于，所述高度可调的测桥包括：

桥墩，包括两个，两个桥墩跨设于所述水槽两侧，每个桥墩之上设有一个高度控制装置，两个高度控制装置之间连接桥梁；流速检测单元，包括无线旋桨式流速仪，无线旋桨式流速仪用于检测水槽内水流的实时流速，所述流速检测单元安装在桥梁上；

水位检测单元，包括测针和针脚，所述测针上沿竖直方向设有检测不同高度水位的针脚，所述水位检测单元安装在桥梁上。

4.根据权利要求3述的非恒定流中示踪粒子自动投放装置，其特征在于，所述桥梁为型材。

5.根据权利要求1述的非恒定流中示踪粒子自动投放装置，其特征在于，所述全断面粒子投放装置包括多个垂直设置于水槽内的粒子投放管，多个粒子投放管沿水槽宽度方向均匀并排布置，每根粒子投放管上沿水深方向上均匀开设若干投放口。

6.根据权利要求1述的非恒定流中示踪粒子自动投放装置，其特征在于，所述整流格栅内有多层网格，用于促进示踪粒子与流体掺混。

7.根据权利要求1述的非恒定流中示踪粒子自动投放装置，其特征在于，所述控制模块为计算机。

8.一种基于权利要求1~7中任一所述非恒定流中示踪粒子自动投放装置的投放控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在示踪粒子搅拌装置中配制一定浓度的示踪粒子溶液，通过调整高度可调的测桥的桥梁高度，间接调整所述水位检测单元的高度以及使所述流速检测单元在0.6倍水深位置处，打开各处电源；

步骤二，根据示踪粒子源密度公式

，建立示踪粒子源密度与水流 流速、流量控制仪功率与开启时长的对应关系，使流量控制仪能控制流体中示踪粒子的浓 度为一恒定值；式中，

为流体中示踪粒子浓度；

为待测流体横截面积；

为水流流速；

为激光片光源厚度；

为粒子图像的直径；

M为成像放大倍率；

步骤三，水槽过流时，通过所述流速检测单元进行流速测量，带有无线传输模块的控制模块实时监测水位流速情况，根据步骤二计算得到的流量控制仪的功率和开启时长，由无线传输模块发送控制指令，将示踪粒子投放入水槽，示踪粒子经过整流格栅的充分掺混，以保证待测激光平面内示踪粒子均匀分布；

步骤四，水流流速和水位改变时，高度可调的测桥实时调整流速检测单元的高度位置，使得流速检测单元始终保持在0.6倍水深位置处；

流速发生变化时，流量控制仪根据接收到的调节指令，重新调整调节水泵的功率及开启时长。

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