CN114042393A - 粒子发生器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种粒子发生器，粒子发生器包括：粒子罐，具有粒子进料口，用于容纳示踪粒子；粒子输送腔体，突出设置于粒子罐的底部且与粒子罐的内部连通，粒子输送腔体的内腔横截面小于粒子罐的内腔横截面；待测气进气管，与粒子输送腔体连通，用于向粒子输送腔体内通入待测气；待测气出气管，与粒子输送腔体连通，用于排出待测气与示踪粒子混合物至测试流场；输送螺杆，输送螺杆用于将粒子罐内的示踪粒子均匀输送至粒子输送腔体。通过输送螺杆将粒子罐内的粒子更加均匀的竖直向下输送至位于粒子罐底部的粒子输送腔体，在输送粒子的过程中保持粒子流量的稳定便于对进入流场的示踪粒子数量进行更加准确的控制。

Description

粒子发生器

技术领域

本发明涉及粒子图像测速技术领域，具体而言，涉及一种粒子发生器。

背景技术

粒子图像测速技术是一种非接触式光学测速技术，具有测量范围广、对流场干扰小、可以对瞬态速度进行测量等优点，目前已被广泛应用于各类流体现象研究。PIV固体粒子发生器是示踪粒子的产生装置，根据测量需求产生一定量的固体颗粒，使其跟随气流进入流场，并跟随流场进行运动。PIV固体粒子发生器的结构特点直接影响粒子的产生质量，从而影响最终速度测量的效果。

现有的粒子发生器主要采用气体激励的方式，一般是将一根金属管由容器顶部插入到示踪粒子堆中，并将其作为气体入口，气流通过金属管后由于冲击作用将示踪粒子激扬起来，一部分示踪粒子最终随气流通过粒子发生器出口沿管路到达待测流场中。

通常这种方式在大流量(或高压强)条件下可携带足够数目的示踪粒子进入待测流场，但在小流量条件下因气体冲击力较小使得示踪粒子数目不满足测量条件。而且这种方式无法精确控制粒子进入到流场的数量，因此存在不稳定现象，一般在开始的瞬间较多，随着实验进行，粒子数量逐渐减少，无法满足整个实验过程的要求。

发明内容

本申请提供一种粒子发生器及粒子图像测速系统，便于控制粒子进入流场的数量，以提高粒子发生器的粒子供量的准确性。

本申请提供了一种粒子发生器，包括：粒子罐，具有粒子进料口，用于容纳示踪粒子；粒子输送腔体，突出设置于所述粒子罐的底部且与所述粒子罐的内部连通，所述粒子输送腔体的内腔横截面小于所述粒子罐的内腔横截面；待测气进气管，与所述粒子输送腔体连通，用于向所述粒子输送腔体内通入待测气；待测气出气管，与所述粒子输送腔体连通，用于排出所述待测气与所述示踪粒子混合物至测试流场；输送螺杆，所述输送螺杆用于将所述粒子罐内的所述示踪粒子均匀输送至所述粒子输送腔体。

上述技术方案中，通过输送螺杆将粒子罐内的粒子更加均匀的竖直向下输送至位于粒子罐底部的粒子输送腔体，在输送粒子的过程中保持粒子流量的稳定，避免粒子忽多忽少，且通过控制输送螺杆的旋转速度、旋转时间即可有效控制粒子的输送量，便于对进入流场的示踪粒子数量进行更加准确的控制。

在一些实施例中，所述粒子发生器还包括：密封罩，具有开口，所述密封罩的开口侧与所述粒子罐的顶部相对扣合于所述粒子罐且与所述粒子罐密封连接，所述粒子进料口设于所述粒子罐的顶部，所述粒子进料口连通所述密封罩和所述粒子罐；平衡气进气管，所述平衡气进气管的一端连接于所述密封罩，用于向所述密封罩内通入所述待测气，以平衡所述粒子罐内的气压；过滤盖，盖合于所述粒子进料口，所述过滤盖仅允许气体通过。

上述技术方案中，在粒子罐上扣合密封罩，密封罩与粒子罐密封连接，密封罩与粒子罐形成内腔相通的整体密封的结构，在密封罩上接入平衡气进气管，以便于向粒子罐内自上而下通入待测气，待测气起到平衡粒子罐内的气压的作用，从而有效避免待测气进气管向粒子输送腔体内输入待测气时引起粒子上扬，进一步确保粒子输送的稳定性；同时，起平衡气压的待测气先经平衡气进气管进入密封罩的内腔，经过密封罩内腔缓冲的待测气流速缓慢稳定，然后再通过过滤盖平稳进入粒子罐，避免平衡气直接进入粒子罐而激扬粒子，以保证平衡气的稳压效果；同时，在粒子进料口设置过滤盖，一方面，避免粒子罐内的粒子溢出粒子罐，另一方面对平衡气起到进一步分散、缓冲作用，使得平衡气更为平稳进入粒子罐。

另外，整体粒子发生器形成密封结构，避免破坏真空环境的真空度，以便于对像高空环境下流体流动对航天器的影响或其他真空环境中流体流速项目开展研究。

在一些实施例中，所述平衡气进气管的另一端与所述待测气进气管连通。

上述技术方案中，平衡气进气管与所述待测气进气管连通，可通过三通连接至同一气源，便于供气控制。

在一些实施例中，所述输送螺杆竖直且转动设置于所述粒子输送腔体内，所述输送螺杆的螺纹段位于所述粒子罐和所述粒子输送腔内，所述待测气进气管和所述待测气出气管与所述粒子输送腔的连通处的水平高度小于所述输送螺杆的螺纹段下端的水平高度。

上述技术方案中，输送螺杆的螺纹段位于粒子罐和粒子输送腔体内，以便于将粒子罐内的粒子更加均匀的向下输送至粒子输送腔体内，直至位于粒子输送腔体内的输送螺杆的下端，被输送螺杆移转至输送螺杆的下端的粒子随位于输送螺杆的螺纹段下方的待测气气流进入待测气出气管，以完成对粒子的匀量化可控化输送。

在一些实施例中，所述待测气进气管与所述粒子输送腔体的连通处的水平高度大于所述所述待测气出气管与所述粒子输送腔体的连通处的水平高度。

上述技术方案中，待测气进气管与粒子输送腔体的连通处的水平高度大于待测气出气管与粒子输送腔体的连通处的水平高度，即，待测气进入粒子输送腔体后能在粒子输送腔内产生旋流，旋流向下而最终经待测气出气口排出，脱离输送螺杆的下端的粒子向下降落过程中与旋流的待测气在粒子输送腔体内更加充分的混合，然后再进入待测气出气管，便于进一步提高粒子在待测气里分布的均匀性。

在一些实施例中，所述粒子罐包括：本体，上端和下端均开口；顶盖，盖合于所述本体的上端开口且与所述本体密封连接，所述粒子进料口设于所述顶盖，所述密封罩与所述顶盖密封连接；底盖，盖合于所述主体的下端开口且与所述本体密封连接，所述粒子输送腔体向下突出设置于所述底盖。

上述技术方案中，粒子罐包括本体和与本体密封连接的顶盖和底盖，粒子罐由各组件构成，使得粒子罐的制造更为便捷，且方便对整体粒子发生器进行拆装，便于对粒子发生器进行检查。

在一些实施例中，所述粒子输送腔体包括：主体，所述主体的上端贯穿所述底盖与所述本体内部连通，所述主体的下端敞开形成敞口；端盖，所述端盖盖合于所述敞口且与所述主体密封连接。

上述技术方案中，粒子输送腔体包括主体和端盖，一方面，方便粒子输送腔体的制造加工，另一方面，便于输送螺杆的拆装。

在一些实施例中，所述本体的上端和下端均具有向背离所述本体的内腔方向凸出的凸缘，所述顶盖与所述本体的上端的凸缘密封连接，所述底盖与所述本体的下端的凸缘密封连接。

上述技术方案中，在本体的上端和下端均设置凸缘，便于本体和顶盖以及底盖通过凸缘连接便于在凸缘上设置密封圈以保证本体和顶盖以及底盖之间的密封性，同时，凸缘设置于本体的外部，便于拆卸安装的同时使得本体与顶盖以及本体与底盖的连接处不占用粒子罐的内部空间，结构简单实用性强。

在一些实施例中，所述粒子罐还包括：多个支撑柱，多个支撑柱均布于所述底盖的底部。

粒子输送腔体设置于底盖的底部，且粒子输送腔体连接有待测气进气管和待测气出气管，本申请在底盖的底部设置多个支撑柱，一方面起到粒子发生器的支撑作用，另一方面为粒子输送腔体和待测气进气管和待测气出气管预留设置空间，使得整体粒子发生器结构更加紧凑，且设置多个支撑柱的方式，既达到了支撑和预留安装空间的作用，也避免对支撑柱和底盖之间形成的区域造成操作干涉，便于对底盖下方的空间内的组件进行拆装、检修等操作。

在一些实施例中，所述粒子发生器还包括：螺杆驱动机构，设于所述粒子罐的上方，用于驱动所述输送螺杆旋转；所述输送螺杆的顶端贯穿所述粒子罐的顶部与所述螺杆驱动机构连接；密封组件，用于密封所述粒子罐和所述输送螺杆之间的间隙。

上述技术方案中，在顶盖的上方设置螺杆驱动机构以驱动输送螺杆旋转，不占用粒子罐内的空间，且可以将螺杆输送机构囊括于密封罩内，保证整体结构的密封性；同时，设置密封组件避免粒子罐内的粒子经输送螺杆贯穿粒子罐的位置溢出，确保粒子罐的密封且避免粒子损失，同时避免粒子溢出对电机的正常工作造成不利影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一些实施例提供的粒子发生器的局部剖视图；

图2为图1所示的A-A方向的剖视图；

图3为图1所示的B-B方向的剖视图。

图标：100-粒子发生器；10-粒子罐；101-粒子进料口；11-顶盖；12-本体；13-底盖；14-支撑柱；102-凸缘；20-粒子输送腔体；21-主体；22-端盖；23-第一轴承；24-第一密封圈；30-待测气进气管；31-三通接头；40-待测气出气管；50-输送螺杆；51-螺纹段；60-密封罩；61-平衡气进气管；62-航空插头；70-过滤盖；80-螺杆驱动机构；81-电机；82-电机支架；83-联轴器；90-密封组件；91-第二密封圈；92-隔离端盖；93-第二轴承。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。

在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

粒子图像测速技术(以下简称PIV)是一种非接触式光学测速技术，具有测量范围广、对流场干扰小、可以对瞬态速度进行测量等优点，目前已被广泛应用于各类流体现象研究。

PIV系统通常主要由三部分组成：示踪粒子发生器、光源系统(包括照明流场的多次曝光光源以及片光形成设备等)和图像采集和处理系统(包括CCD相机、图像采集卡以及控制软件等)。PIV系统基本工作原理是：预先在流场中撒播一定浓度和大小的且跟随性良好的示踪粒子，用适当的脉冲激光片光源照明需要测量的流场区域，在垂直于片光源的方向上，用图像采集件以采样间隔采集流场中示踪粒子在两幅图像上的位置变化，从而计算出流场内部示踪粒子处的流体质点在采样时刻的瞬时速度。

PIV固体粒子发生器是示踪粒子的产生装置，根据测量需求产生一定量的固体颗粒，使其跟随气流进入流场，并跟随流场进行运动。PIV固体粒子发生器的结构特点直接影响粒子的产生质量，从而影响最终速度测量的效果。

由于PIV测量过程中要求粒子对流场的影响较小，且粒子要保持良好的跟随性，因此在满足观测效果的前提下粒子的尺寸越小越好，一般气体流场的测量过程中粒子的粒径为1-10μm，为了使整个实验过程的整个区域的测量效果满足要求，示踪粒子的分布密度要满足测量要求，且要求保持时间和空间分布相对均匀。粒子数量过多会导致粒子堆叠，对特定粒子的分辨效果较差，且随测量进行，粒子的粘附作用会使测量区可见度变差；粒子数量过少则无法进行粒子进行相关性分析，对测量结果的准确性造成影响。

现有的粒子发生器主要采用气体激励的方式，一般是将管插入到示踪粒子堆中，并将其作为气体入口，气流通过金属管后由于冲击作用将示踪粒子激扬起来，一部分示踪粒子最终随气流通过粒子发生器出口沿管路到达待测流场中。

本申请发明人发现，粒子发生器在大流量(或高压强)条件下可携带足够数目的示踪粒子进入待测流场，但在小流量条件下因气体冲击力较小使得示踪粒子数目不满足测量条件。而且这种方式无法精确控制粒子进入到流场的数量以及粒子进入流场的数量的均衡性，一般在开始的瞬间进入流场的粒子数量较多，随着实验进行，进入流场的粒子数量会逐渐减少，无法均衡平稳输送以满足整个实验过程的要求。

基于以上考虑，为了解决粒子发生器输送进入流场的粒子数量不可控以及测量过程中粒子流量不均衡不稳定的问题，本申请发明人经过研究，设计了一种粒子发生器，在粒子罐内设置竖直的输送螺杆，通过输送螺杆将粒子罐内的粒子更加均匀的输送至流场，一方面，可以在输送粒子的过程中保持粒子流量的稳定，避免粒子忽多忽少，另一方面，可根据待测气的流量压强大小来灵活调整输送螺杆的旋转速度，从而使粒子的输送量得到更为有效精准的控制，并确保粒子在流场中能保持到相对稳定的密度，以进一步提高粒子图像测速的效率和质量。

可以理解的是，本申请实施例公开的粒子发生器可以用于粒子图像测试系统，粒子图像测试系统通常包括：粒子发生器、待测试流场、光源系统和图像采集和处理系统，其中示踪粒子发生器是根据测量需求产生一定的固体颗粒，使其跟随气流进入待测试流场，并跟随待测试流场进行运动，即粒子发生器为待测试流场提供固体粒子，光源系统可以包括激光源和片光发生器，激光器用于发射多束柱状激光束激光，片光源发生器用于将激光束调制成薄片状激光片光，激光片光照亮需要测量的待测试流场区域，在垂直于激光片光的方向上，用图像采集件以采样间隔采集流场中示踪粒子在两幅图像上的位置变化，从而计算出流场内部示踪粒子处的流体质点在采样时刻的瞬时速度。

根据本申请的一些实施例，请参照图1和图2，本申请提供了一种粒子发生器100，粒子发生器100包括粒子罐10、粒子输送腔体20、待测气进气管30、待测气出气管40及输送螺杆50，粒子罐10具有粒子进料口101，粒子罐10用于容纳示踪粒子。粒子输送腔体20突出设置于粒子罐10的底部且与粒子罐10的内部连通，粒子输送腔体20的内腔横截面小于粒子罐10的内腔横截面；待测气进气管30与粒子输送腔体20连通，用于向粒子输送腔体20内通入待测气；待测气出气管40与粒子输送腔体20连通，用于排出待测气与示踪粒子混合物至测试流场；输送螺杆50用于将粒子罐10内的示踪粒子均匀输送至粒子输送腔体20。

粒子罐10为容纳粒子的容器，可以经粒子进料口101将粒子加入粒子罐10，可以理解的是，在粒子罐10加入粒子后，可将进料口通过密封盖或其他常规封闭方式进行封闭，避免粒子从进料口溢出。

粒子输送腔体20的内腔横截面尺寸小于粒子罐10的内腔横截面，便于与输送螺杆50配合而将粒子罐10内的粒子更加均匀的向输送螺杆50的下端输送直至进入待测气出气管40，同时通过尺寸结构阻止粒子罐10其他位置的粒子进入粒子输送腔，可以理解的是，为了保证粒子的输送效果，粒子输送腔体20的内腔的横截面可以为与输送螺杆50的螺纹段51的横截面相匹配的圆形，以避免粒子罐10内过多粒子进入粒子输送腔而影响输送螺杆50的均匀输送效果，同时保证被输送螺杆50输送的粒子能够顺利传输至输送螺杆50的下端。

待测气进气管30用于向粒子输送腔内通入待测气，待测气指最终需要进行粒子图像测速的形成流场的目标气体，待测气进气管30与气源连通。

待测气出气管40用于将从待测气进气管30进入的待测气及被输送螺杆50输送至粒子输送腔体20的粒子的混合物输出粒子发生器100，以排出携带有粒子的待测气流至待测件，在待测件内形成待测流场。可以理解的是，待测气出气管40的出气端连通至待测件，待测件指待测流场的载体，比如透明管体。

输送螺杆50指用于螺旋输送的螺杆，具有用于物流传送的螺纹段51，可以理解的是，输送螺杆50竖直设置且与粒子输送腔对应，输送螺杆50的螺纹段51可以仅位于粒子输送腔体20内，即，粒子从粒子罐10与粒子输送腔的连通处进入输送螺杆50的螺纹段51的上端，随着输送螺杆50的旋转，逐渐转移至输送螺杆50的螺纹段51的下端，然后随待测气流进入待测气出气管40；输送螺杆50的螺纹段51也可以仅位于粒子罐10内，即，输送螺杆50的螺纹段51的下端位于粒子输送腔的顶部，粒子经粒子输送螺杆50输送至螺纹段51的下端而均匀进入粒子输送腔体20，然后随待测气流进入待测气出气管40；输送螺杆50的螺纹段51对粒子进行输送，以将粒子罐10内的粒子更加均匀的输送至待测气出气管40的入口。

可以理解的是，输送螺杆50必然是旋转设置在粒子罐10和粒子输送腔内的，输送螺杆50可以设置旋转驱动机构进行旋转驱动，旋转驱动机构可以设置在粒子罐10的上方或粒子输送腔体20的下方，以驱动输送螺杆50的旋转。

本申请通过竖直设置的输送螺杆50将粒子罐10内的粒子更加均匀的输送至流场，使得粒子的流量、流速可控，一方面，可以在输送粒子的过程中保持粒子流量的稳定，避免流场的流速对进入流场的粒子数量造成影响；另一方面，使得粒子数量的提供稳定均衡，避免粒子忽多忽少，以确保在流场测速过程中持续向流场提供稳定粒子；同时，可根据待测气的流量压强大小来灵活调整输送螺杆50的旋转速度，从而使粒子的输送量得到更为有效精准的控制，并确保粒子在流场中能保持到相对稳定的密度，以进一步提高粒子图像测速的效率和质量。

本申请的输送螺杆50竖直设置，一方面使得整体粒子发生器的结构更加紧凑，有效减小整个装置的体积，更易实现密封；另一方面，粒子由竖直的输送螺杆50向下输送至粒子输送腔后，在其自身重力作用下向下运动，便于与进入粒子输送腔体20的待测气充分混合，所以，竖直设置的输送螺杆50更加有利于粒子与气体的混合及粒子的输运。

在一些实施例中，如图1和图2所示，粒子发生器100还包括：密封罩60、平衡进气管和过滤盖70，密封罩60具有开口，密封罩60的开口侧与粒子罐10的顶部相对扣合于粒子罐10且与粒子罐10密封连接，粒子进料口101设于粒子罐10的顶部，粒子进料口101连通密封罩60和粒子罐10。平衡气进气管61的一端连接于密封罩60，用于向密封罩60内通入待测气，以平衡粒子罐10内的气压；过滤盖70盖合于粒子进料口101，过滤盖70仅允许气体通过。

其中，密封罩60与粒子罐10的密封可以采用密封卡扣或其他密封连接件密封，密封罩60与粒子罐10之间可以设置密封圈进一步保证密封罩60与粒子罐10之间的密封性。

平衡气进气管61用于向密封罩60内通入与待测气进气管30种类相同的待测气，使粒子罐10内和粒子输送腔体20内的压强相对平衡，防止或者减少待测气经粒子输送腔体20直接向上进入粒子罐10而激扬粒子罐10内的粒子。

过滤盖70的作用为阻止粒子罐10内的粒子向密封罩60内溢出，同时能够允许待测气通过，以使密封罩60和粒子罐10的内腔达到气体相通。可以理解的是，在粒子罐10内加入粒子时，需要将过滤盖拿掉，粒子加注完毕后，重新将过滤盖70盖合在粒子进料口101上。

在粒子罐10上扣合密封罩60，密封罩60与粒子罐10密封连接，密封罩60与粒子罐10形成内腔相通的整体密封的结构，在密封罩60上接入平衡气进气管61，以便于向粒子罐10内自上而下通入待测气，使粒子罐10内和粒子输送腔体20内的压强相对平衡，避免待测气进气管30向粒子输送腔体20内输入待测气时引起粒子上扬，进一步确保粒子输送的稳定性；同时，起平衡气压的待测气先经平衡气进气管61进入密封罩60的内腔，经过密封罩60内腔缓冲的待测气流速缓慢稳定，然后再通过过滤盖70平稳进入粒子罐10，避免平衡气直接进入粒子罐10而激扬粒子，以保证平衡气的稳压效果；同时，在粒子进料口101设置过滤盖70，一方面，避免粒子罐10内的粒子溢出粒子罐10，另一方面对平衡气起到进一步分散、缓冲作用，使得平衡气更为平稳进入粒子罐10。

另外，现有的粒子发生器100均针对大气环境设计，随着航天技术的发展，亟需对高空环境下流体流动对航天器影响开展研究，而模拟高空环境的高动态真空度需要在大型真空舱内进行，如果将粒子发生器100放置于真空舱外会造成粒子输送管路长、粒子大量粘附在输送管路中的情况，会极大影响实验效果，但在模拟真空的环境下工作时，微小的漏气都可能使真空度破坏，所以普通的粒子发生器因容易造成真空度破坏的原因也无法直接放置在真空模拟环境中使用，而本申请的粒子发生器100整体形成密封结构，可有效避免气体、粒子泄露的问题，从而避免了对真空度的破坏，可直接应用至真空环境，以便于对像高空环境下流体流动对航天器的影响或其他真空环境中流体流速项目开展研究。

在一些实施例中，平衡气进气管61的另一端与待测气进气管30连通。

可选地，如图1所示，可在待测气进气管30的进气端安装三通接头31，三通接头31的其他两个端口分别连通至气源和平衡气进气管61。方便供气且便于供气的控制。

在一些实施例中，如图2所示，输送螺杆50竖直且转动设置于粒子输送腔体20内，输送螺杆50的螺纹段51位于粒子罐10和粒子输送腔内，待测气进气管30和待测气出气管40与粒子输送腔的连通处的水平高度小于输送螺杆50的螺纹段51下端的水平高度。

输送螺杆50的螺纹段51位于粒子罐10和粒子输送腔体20内，相较于螺纹段51单独位于粒子罐10或粒子输送腔体20内的方式，有效加长螺纹段51输送路径，以便于将粒子罐10内的粒子更加均匀的向下输送至粒子输送腔体20内，直至位于粒子输送腔体20内的输送螺杆50的下端，被输送螺杆50移转至输送螺杆50的下端的粒子随位于输送螺杆50的螺纹段51下方的待测气气流进入待测气出气管40，以完成对粒子的匀量化可控化输送。

在一些实施例中，待测气进气管30与粒子输送腔体20的连通处的水平高度大于待测气出气管40与粒子输送腔体20的连通处的水平高度。

待测气进气管30与粒子输送腔体20的连通处的水平高度大于待测气出气管40与粒子输送腔体20的连通处的水平高度，即，待测气进入粒子输送腔体20后能在粒子输送腔内产生旋流，旋流向下而最终经待测气出气口排出，脱离输送螺杆50的下端的粒子向下降落过程中与旋流的待测气在粒子输送腔体20内更加充分的混合，然后再进入待测气出气管40，便于进一步提高粒子在待测气里分布的均匀性。

可选地，待测气进气管30可以水平设置，以向粒子输送腔体20内输入沿水平方向流动的待测气，同样的，待测气出气管40也可以水平设置，便于水平的输送粒子与待测气的混合物。

其中，待测气进气管30和待测气出气管40的中心轴线可以相互呈一定夹角，也可以相互平行。

可选地，如图1和图3所示，待测气进气管30与待测气出气管40均水平设置，且位于输送螺杆50的相对两侧，待测气进气管30的中心轴线和待测气出气管40的中心轴线均与输送螺杆50的中心轴线相交。待测气进气管30与待测气出气管40位于输送螺杆50的两对侧，气流绕输送螺杆50两侧进行流动，确保气流的进气和出气方向一致，且这样的设置使气流在粒子输送腔体20内的绕流路径尽量均衡，使气流和粒子混合更加均匀。

在一些实施例中，如图2所示，粒子罐10包括：本体12、顶盖11和底盖13，本体12的上端和下端均开口；顶盖11盖合于本体12的上端开口且与本体12密封连接，粒子进料口101设于顶盖11，密封罩60与顶盖11密封连接；底盖13盖合于主体21的下端开口且与本体12密封连接，粒子输送腔体20向下突出设置于底盖13。

可选地，本体12和顶盖11以及本体12和底盖13之间均可以通过密封卡扣连接，且可以在本体12和顶盖11以及本体12和底盖13之间设置O型密封圈，以进一步确保粒子罐10的密封性。

粒子罐10包括本体12和与本体12密封连接的顶盖11和底盖13，粒子罐10由各组件密封连接构成，使得粒子罐10的制造更为便捷，且方便对整体粒子发生器100进行拆装，便于对粒子发生器100进行检查。

在一些实施例中，粒子输送腔体20包括：主体21和端盖22，主体21的上端贯穿底盖13与本体12内部连通，主体21的下端敞开形成敞口；端盖22盖合于敞口且与主体21密封连接。

其中，主体21和底盖13可通过焊接方式连接或一体成型。

如图2所示，端盖22可以为一端开口的空心结构，端盖22的开口侧与敞口相对，可以在端盖22中装入第一轴承23，将输送螺杆50的下端插入到第一轴承23内，然后将端盖22与主体21密封连接。

可选地，还可以在端盖22内位于第一轴承23的上方设置第一密封圈24，将第一密封圈24穿设于输送螺杆50的下端，然后再将输送螺杆50的下端插入到第一轴承23内，第一密封圈24可以采用常规的轴用防尘密封圈，第一密封圈24对第一轴承23起到防尘作用，避免粒子输送腔体20内的粒子进入第一轴承23影响第一轴承23的性能，同时避免粒子流失。

可选地，如图2所示，本体12的上端和下端均设置有向背离本体12的内腔方向凸出的凸缘102，顶盖11与本体12的上端的凸缘102密封连接，底盖13与本体12的下端的凸缘102密封连接。

本体12上端的凸缘102和顶盖11可通过螺栓或密封卡扣等常规连接件连接，也可在在本体12的凸缘102与顶盖11及底盖13之间设置密封圈，进一步加强密封效果，在实际使用中，可以将本体12的上端和下端直接加工为法兰面，便于与顶盖11和底盖13的固定连接及密封。

同样的，密封罩60靠近粒子罐10的一端也可设置与本体12的上端的凸缘102结构相同的凸出结构，密封罩60的凸出结构与本体12的上端的凸缘102相对应，顶盖11的边缘位于密封罩60的凸出结构与本体12的上端的凸缘102之间，便于将密封罩、顶盖11和本体12三者直接连接，进一步保证整体装置的密封性，当然，密封罩60的开口端也可以直接设置为与本体12的上端对应的法兰面。

在本体12的上端和下端均设置凸缘102，便于本体12和顶盖11以及底盖13通过凸缘102连接便于在凸缘102上设置密封圈以保证本体12和顶盖11以及底盖13之间的密封性，同时，凸缘102设置于本体12的外部，便于拆卸安装的同时使得本体12与顶盖11以及本体12与底盖13的连接处不占用粒子罐10的内部空间，结构简单实用性强。

在一些实施例中，如图2所示，粒子罐10还包括：多个支撑柱14，多个支撑柱14均布于底盖13的底部。

可选地，多个支撑柱14可以按照矩阵方式均布于底盖13的底部，也可以沿周向均布于底盖13的底部，多个支撑柱14可以与底盖13焊接或通过螺栓连接，多个支撑柱14沿周向设置时，则至少应该设有三个支撑柱14。

粒子输送腔体20设置于底盖13的底部，且粒子输送腔体20连接有待测气进气管30和待测气出气管40，本申请在底盖13的底部设置多个支撑柱14，一方面起到粒子发生器100的支撑作用，另一方面为粒子输送腔体20和待测气进气管30和待测气出气管40预留设置空间，使得整体粒子发生器100结构更加紧凑，且设置多个支撑柱14的方式，既达到了支撑和预留安装空间的作用，也避免对支撑柱14和底盖13之间形成的区域造成操作干涉，便于对底盖13下方的空间内的组件进行拆装、检修等操作。

在一些实施例中，粒子发生器100还包括：螺杆驱动机构80，设于顶盖11的上方，用于驱动输送螺杆50旋转；输送螺杆50的顶端贯穿顶盖11与螺杆驱动机构80连接；密封组件90，用于密封顶盖11和输送螺杆50之间的间隙。

螺杆驱动机构80可以使用电机81驱动，当粒子罐10的上方扣合有密封罩60时，螺杆驱动机构80可以容纳于密封罩60内。

可选地，如图2所示，可在粒子罐10的顶部安装电机支架82，在输送螺杆50的顶端设置联轴器83，在电机支架82上安装电机81，电机81与输送螺杆50同轴连接，电机81驱动输送螺杆50的旋转，可以通过控制电机81的转速而灵活控制输送螺杆50的转速，从而控制粒子输送量。

同时，可以在密封罩60上设置航空插头62，便于电机81的线体连接。

在粒子罐10的上方设置螺杆驱动机构80以驱动输送螺杆50旋转，不占用粒子罐10内的空间，且可以将螺杆输送机构囊括于密封罩60内，保证整体结构的密封性；同时设置密封组件90，避免粒子罐10内的粒子经输送螺杆50贯穿粒子罐10的位置溢出，确保粒子罐10的密封且避免粒子损失，同时避免粒子溢出对电机81的正常工作造成不利影响。

可选地，如图2所示，密封组件90可以包括：第二密封圈91和隔离端盖92，第二密封圈91穿设于输送螺杆50的顶端与间隙对应；隔离端盖92穿设于输送螺杆50的顶端并与顶盖11连接，用于将第二密封圈91压紧于顶盖11。

其中，第二密封圈91可以采用常规的轴用防尘密封圈，隔离端盖92可以通过螺纹连接等方式固定于顶盖11上。可以在隔离端盖92内设置第二轴承93，输送螺杆50的顶端转动设置于第二轴承93座，第二轴承93对输送螺杆50起到导向和支撑作用。

在一些实施例中，主体21的中心轴线与输送螺杆50的轴线和底盖13的中心轴线重合。即粒子罐10、粒子输送腔体20和输送螺杆50的中心轴线重合，以使输送螺杆50和粒子输送腔位于粒子罐10的中心，保证粒子罐10内的粒子能够被输送螺杆50更加均匀、彻底地导入待测气出气管40。

可选地，待测气进气管30与待测气出气管40同轴且其中心轴线与输送螺杆50的中心轴线相交。

请参照图1至图3，本申请一些实施例提供一种粒子发生器100，包括：粒子罐10、粒子输送腔体20、密封罩60、输送螺杆50、待测气进气管30、待测气出气管40和平衡气进气管61，粒子罐10的顶部具有粒子进料口101，粒子罐10的顶部连接密封罩60，密封罩60与粒子罐10通过粒子进料口101连通，平衡气进气管61设于密封罩60的顶部，粒子进料口101配有过滤盖70。

粒子输送腔体20连通于粒子罐10的底部且与粒子罐10连通，输送螺杆50竖直设置在粒子输送腔体20内，且输送螺杆50的顶端贯穿粒子罐10的顶部连接有旋转驱动机构，输送螺杆50的螺纹段51位于粒子罐10和粒子输送腔内。

待测气进气管30和待测气出气管40与粒子输送腔体20的连通处的水平高度小于输送螺杆50的螺纹段51下端的水平高度，待测气进气管30与待测气出气管40水平且同轴，且待测气进气管30的中心轴线与输送螺杆50的中心轴线相交。

待测气进气管30和平衡气进气管61通过三通接头31连接至同一个气源，待测气出气管40的出气端用于连接至待测流场。

使用本申请的粒子发生器100进行粒子输送的主要步骤包括：

准备工作：先打开密封罩60，取下过滤盖70后向粒子罐10内加入示踪粒子，加入粒子后依次盖好过滤盖70及密封罩60；

在实验真空度条件下通过粒子发生器100输送粒子：待达到真空度要求后，先开启气源，向平衡气进气管61和待测气进气管30通入待测气；一定时间后开启旋转驱动机构，随后开启待测气出气管40的阀门；根据气体流量要求调节旋转驱动机构的转速，即调节输送螺杆50的转速，使粒子的输送数量满足测量要求(即气体中的粒子密度达到测量要求)；进行正式测量，测量完成后先关闭电机81，然后关闭气路即可。

其中，气源开启和待测气出气管40开启之间的时间间隔参数可通过提前调试获取，其调试标准为：使粒子发生器内的压强在待测气出气管40开启前后基本一致，不会出现由于粒子发生器内的压强波动而导致初始进入测量区的流量产生大的波动现象。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.粒子发生器，其特征在于，包括：

粒子罐，具有粒子进料口，用于容纳示踪粒子；

粒子输送腔体，突出设置于所述粒子罐的底部且与所述粒子罐的内部连通，所述粒子输送腔体的内腔横截面小于所述粒子罐的内腔横截面；

待测气进气管，与所述粒子输送腔体连通，用于向所述粒子输送腔体内通入待测气；

待测气出气管，与所述粒子输送腔体连通，用于排出所述待测气与所述示踪粒子的混合物至测试流场；

输送螺杆，所述输送螺杆用于将所述粒子罐内的所述示踪粒子均匀输送至所述粒子输送腔体。

2.根据权利要求1所述的粒子发生器，其特征在于，所述粒子发生器还包括：

密封罩，具有开口，所述密封罩的开口侧与所述粒子罐的顶部相对扣合于所述粒子罐且与所述粒子罐密封连接，所述粒子进料口设于所述粒子罐的顶部，所述粒子进料口连通所述密封罩和所述粒子罐；

平衡气进气管，所述平衡气进气管的一端连接于所述密封罩，用于向所述密封罩内通入所述待测气，以平衡所述粒子罐内的气压；

过滤盖，盖合于所述粒子进料口，所述过滤盖仅允许气体通过且阻止所述示踪粒子通过。

3.根据权利要求2所述的粒子发生器，其特征在于，所述平衡气进气管的另一端与所述待测气进气管连通。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的粒子发生器，其特征在于，所述输送螺杆竖直且转动设置于所述粒子输送腔体内，所述输送螺杆的螺纹段位于所述粒子罐和所述粒子输送腔内，所述待测气进气管和所述待测气出气管与所述粒子输送腔的连通处的水平高度小于所述输送螺杆的螺纹段下端的水平高度。

5.根据权利要求4所述的粒子发生器，其特征在于，所述待测气进气管与所述粒子输送腔体的连通处的水平高度大于所述待测气出气管与所述粒子输送腔体的连通处的水平高度。

6.根据权利要求2所述的粒子发生器，其特征在于，所述粒子罐包括：

本体，上端和下端均开口；

顶盖，盖合于所述本体的上端开口且与所述本体密封连接，所述粒子进料口设于所述顶盖，所述密封罩与所述顶盖密封连接；

底盖，盖合于所述本体的下端开口且与所述本体密封连接，所述粒子输送腔体向下突出设置于所述底盖。

7.根据权利要求6所述的粒子发生器，其特征在于，所述粒子输送腔体包括：

主体，所述主体的上端贯穿所述底盖与所述本体内部连通，所述主体的下端敞开形成敞口；

端盖，所述端盖盖合于所述敞口且与所述主体密封连接。

8.根据权利要求6所述的粒子发生器，其特征在于，所述本体的上端和下端均具有向背离所述本体的内腔方向凸出的凸缘，所述顶盖与所述本体的上端的凸缘密封连接，所述底盖与所述本体的下端的凸缘密封连接。

9.根据权利要求6所述的粒子发生器，其特征在于，所述粒子罐还包括：

多个支撑柱，所述多个支撑柱均布于所述底盖的底部。

10.根据权利要求6所述的粒子发生器，其特征在于，所述粒子发生器还包括：

螺杆驱动机构，设于所述顶盖的上方，用于驱动所述输送螺杆旋转；

所述输送螺杆的顶端贯穿所述顶盖与所述螺杆驱动机构连接；

密封组件，用于密封所述顶盖和所述输送螺杆之间的间隙。

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