CN114527295B - 一种旋流对冲式piv固体粒子发生器及粒子发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法，发生器包括旋流腔、与旋流腔连通的进气喷管和粒子对冲管，所述旋流腔由依次可拆卸连接的弧形底件、收口型中间件、凹型顶件围绕而成；所述粒子对冲管上设置总出气口；所述弧形底件的凹面朝上，所述收口型中间件的内径由下往上逐渐减小，所述凹型顶件的凹面朝下；所述进气喷管自弧形底件插入至旋流腔中，所述粒子对冲管连通至凹型顶件内。本发明用以解决现有技术中PIV粒子发生器不能满足超声速流场及燃烧场中复杂恶劣的测试环境要求的问题，实现提高粒子流化效果、降低粒子团聚成堆几率、且便于拆卸清理的目的。

Description

一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法

技术领域

本发明涉及粒子示踪激光测量领域，具体涉及一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法。

背景技术

PIV技术是一种测量速度场的常用方法，其工作原理为：脉冲激光片光照明撒播在流场中的示踪粒子，通过连续两次或多次曝光，并同时用CCD相机记录粒子的图像，通过算法处理CCD相机记录的图像，从而获得流场的速度分布。

超声速流场及燃烧场中高压力、高马赫数的恶劣试验环境给PIV测速技术带来极大挑战。PIV实验中，为了正确的反映流场，首先要保证示踪粒子具有良好的流动跟随性，即要尽可能减小粒子尺寸。纳米粒子(如纳米级TiO₂和Al₂O₃等)能够较好地满足这一需求，但由于这种超细粉体的表面能很大，易导致粒子颗粒产生团聚效应，使粒子的粒径增大，在潮湿环境下长期储存甚至会结块，不利于粒子的播撒。

PIV的粒子投放目前基本使用气力运输的方法。如公开号为CN102435769A和CN106841661A的中国发明专利，这类现有技术可使粒子在运输过程中经过碰撞使团聚体分散，较好的实现粒子跟随性。但从设计角度和实际使用情况来看，现有技术仍然存在如下不足：(1)粒子加注的过程较为复杂，而且气体在吹扫过程中存在吹扫死角，粒子长时间暴露在空气中团聚严重，使得粒子在吹扫过程中未能完全使用；(2)粒子碰撞强度不够，使进入流场的粒子依然有较大颗粒；(3)粒子加注过程不稳定，前后浓度有较大差别。

综上所述，超声速流场及燃烧场中复杂恶劣的PIV测试环境对粒子发生装置提出了更高的要求，需要尽可能的降低粒子粉末的尺寸，才能更精细的测量流场中的速度分布，而现有的PIV粒子发生器不能满足这一使用需求。

发明内容

本发明提供一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法，以解决现有技术中PIV粒子发生器不能满足超声速流场及燃烧场中复杂恶劣的测试环境要求的问题，实现提高粒子流化效果、降低粒子团聚成堆几率、且便于拆卸清理的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，包括旋流腔、与旋流腔连通的进气喷管和粒子对冲管，所述旋流腔由依次可拆卸连接的弧形底件、收口型中间件、凹型顶件围绕而成；所述粒子对冲管上设置总出气口；

所述弧形底件的凹面朝上，所述收口型中间件的内径由下往上逐渐减小，所述凹型顶件的凹面朝下；

所述进气喷管自弧形底件插入至旋流腔中，所述粒子对冲管连通至凹型顶件内。

针对现有技术中PIV粒子发生器不能满足超声速流场及燃烧场中复杂恶劣的测试环境要求的问题，本发明首先提出一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，其中弧形底件、收口型中间件、凹型顶件依次可拆卸连接，三者共同围绕形成旋流腔，因此旋流腔的底部位置为向下凹陷的圆弧曲面，旋流腔的中间位置为逐渐向上缩口的腔体，旋流腔的顶部位置为向上凹陷的凹型件。本申请旋流腔结构简单，三部分可拆卸连接，使得能够根据需要灵活的拆卸指定位置进行清理，并且进气喷管自弧形底件插入至旋流腔中，通入的气流可以更大面积吹扫到粒子，并在旋流腔内自下而上充分运动，沿弧形底件内壁形成旋流，以降低粒子团聚几率；之后气流携带粒子共同进入收口型中间件中，由收口型中间件的收口结构对气流和粒子进行加速，提高粒子流化效果，增加了粒子与壁面的碰撞几率和碰撞产生的剪切力；最后气流携带粒子进入凹型顶件内，再进入粒子对冲管内，经总出气口排至待测流场进行试验。当然，本领域技术人员应当理解，本申请粒子发生器中任意两个可拆卸连接部件之间均应当进行密封，其具体密封方式可采用本领域任意密封方式，如常见的橡胶密封、法兰密封等。

本申请的具体使用方法包括：首先取下凹型顶件，向旋流腔中加入固体粒子粉末，装上凹型顶件；将总出气口与待测流场的管线连接，由气源经进气喷管向旋流腔内通入氮气或干燥空气，调整旋流腔内的压力与待测流场匹配；打开总出气口与待测流场之间的阀门，固体粒子从总出气口进入待测流场，开始试验；试验结束后，关闭气源，清理旋流腔内部。

进一步的，所述进气喷管插入至旋流腔中的一端设置若干沿轴向分布的排气组件；所述排气组件包括若干环形均布的旋流孔。若干排气组件沿进气喷管顶端的轴向进行分布，每组排气组件又包括若干旋流孔，因此能够在进气喷管的顶部形成若干圈旋流孔作为进气喷管的出气孔。旋流孔，顾名思义用于形成旋流气旋，因此旋流孔的轴线必然不过进气喷管横截面的圆心，以使得旋流强度更高，增加粒子与壁面的碰撞几率；当然，旋流孔的开设角度可由本领域技术人员根据进气喷管的尺寸、弧形底件的尺寸等进行适应性设置，在此不做限定，以喷出的气体在弧形底件内能够产生尽量强的旋流为优。

进一步的，所述排气组件由四个旋流孔组成，所述旋流孔孔径为0.5～1mm；位于最下方的排气组件与所述旋流腔底部等高。

进一步的，所述弧形底件底端设置向下延伸的第一延伸部，所述进气喷管外壁设置径向向外延伸的第二延伸部；所述进气喷管贯穿第一延伸部插入至旋流腔中，且所述第二延伸部无法进入第一延伸部；还包括位于第二延伸部上表面的环形凹槽，所述环形凹槽用于装配密封圈；所述进气喷管与第一延伸部之间通过螺套可拆卸连接。本方案通过第一延伸部和第二延伸部的设置，为排气喷管和弧形底件之间提供装配工位，便于通过螺套进行连接，更有利于拆卸装置和清理残留粒子；由于排气喷管位于弧形底件底部，因此只需要拆卸螺套，即可将排气喷管取出，进而使得沉降在旋流腔内部的残留粒子能够轻易的通过第一延伸部内用于装配进气喷管的孔道排出，在增强了清理方便性的同时显著简化了设备结构。此外，第二延伸部用于对进气喷管的装配提供定位和限位功能。第二延伸部上表面设置环形凹槽，其内装配密封圈，当第二延伸部抵拢第一延伸部时，表示进气喷管装配到位，此时装紧螺套，使密封圈充分被压缩在第一延伸部的底部，实现对进气喷管和弧形底件之间的充分密封，同时又不会影响对进气喷管正常的拆卸和重新安装。

进一步的，所述粒子对冲管包括相对分布的两个对冲进气口，两个对冲进气口各通过一根气流管连通至凹型顶件内。进入凹型顶件的气流携粒子进入两根气流管，分别通过这两根气流管从两个对冲进气口排出至粒子对冲管内，因此两股携带粒子的气流在粒子对冲管内发生强烈的对撞，产生的射流对撞可以增加粒子间的撞击力度，有利于固体颗粒进一步破碎，进而显著提高粒子流化效果、明显降低进入测试流场的粒子的团聚风险。

进一步的，所述粒子对冲管内包括从下往上依次连通的第一柱形腔、扩径腔、第二柱形腔，所述第一柱形腔的内径小于第二柱形腔的内径，所述扩径腔从靠近第一柱形腔的一端至靠近第二柱形腔的一端内径逐渐增大；所述第一柱形腔底部封闭，所述对冲进气口设置在第一柱形腔侧面，且对冲进气口的出气端呈缩口状。

本方案中，扩径腔能够自下而上逐渐扩径；缩口状结构有利于更加提高对冲气流的流速，使得粒子对撞更为强烈。粒子在第一柱形腔内对撞后，随气流向上运动进入第二柱形腔，通过内径更大的第二柱形腔以更加稳定的压力供给至待测流场。

进一步的，所述总出气口设置在第二柱形腔侧面，还包括与第二柱形腔连通、且位于总出气口对侧的协流进气口。协流进气口与总出气口相对布置，其内通入协流气体使粒子稳定均匀的输出至待测流场。并且在具体工作时，还可以通过改变协流气体的流量，来改变总出气口处粒子浓度的大小，显著提高了本申请对超声速流场及燃烧场测试的可操作性。

进一步的，所述凹型顶件顶部设置固定螺栓，所述粒子对冲管设置与所述固定螺栓相匹配的内螺纹盲孔，粒子对冲管与凹型顶件通过螺纹连接。本方案中凹型顶件与粒子对冲管之间通过相互匹配的固定螺栓、内螺纹盲孔进行螺纹连接，可保证两者的连接稳定可靠，为粒子对撞提供稳定空间，且显著提高了本申请的整体性。

进一步的，基于旋流对冲式PIV固体粒子发生器的粒子发生方法，包括：

S1、取下凹型顶件，向旋流腔中加入固体粒子粉末，装上凹型顶件；其中加入的固体粒子粉末的体积为旋流腔容积的1/4～1/3；

S2、将总出气口与待测流场的管线连接，由气源经进气喷管向旋流腔内通入氮气或干燥空气，调整旋流腔内的压力与待测流场匹配；

S3、打开所述管线上的阀门，固体粒子从总出气口进入待测流场，开始试验；

S4、试验结束后，关闭所述气源，拆卸所述进气喷管和/或弧形底件，清理旋流腔内部。

进一步的，固体粒子从总出气口进入待测流场的方法包括：

S301、旋流腔内的固体粒子随气流通过与凹型顶件连通的两根气流管进入两个对冲进气口；

S302、通过设置在粒子对冲管上、且位于总出气口对侧的协流进气口，向粒子对冲管内通入协流气体，以调节粒子浓度；

S303、两个对冲进气口喷出的固体粒子在第一柱形腔内部碰撞，之后随协流气体、从总出气口排出，进入待测流场。

其中，协流气体可优选的使用氮气或干燥空气。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法，相较于现有技术而言显著简化了结构，旋流腔的三部分可拆卸连接，能够根据需要灵活的拆卸指定位置进行清理。

2、本发明一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法，进气喷管自弧形底件插入至旋流腔中，通过旋流孔沿弧形底件内壁产生旋流，以降低粒子团聚几率。

3、本发明一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法，由收口型中间件的收口结构对气流和粒子进行加速，提高粒子流化效果，增加了粒子与壁面的碰撞几率和碰撞产生、增强了对粒子的剪切力。

4、本发明一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法，两股携带粒子的气流在粒子对冲管内发生强烈的对撞，产生的射流对撞可以增加粒子间的撞击力度，有利于固体颗粒进一步破碎，进而显著提高粒子流化效果、明显降低进入测试流场的粒子的团聚风险。

5、本发明一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器及粒子发生方法，可以通过改变协流气体的流量，来改变总出气口处粒子浓度的大小，显著提高了对超声速流场及燃烧场测试的可操作性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中进气喷管的剖视图；

图3为沿图2中A-A方向线的剖视图；

图4为本发明具体实施例中凹型顶件的剖视图；

图5为本发明具体实施例中粒子对冲管的剖视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-底座，2-进气喷管，201-第二延伸部，3-环形凹槽，4-旋流孔，5-螺套，6-密封圈，7-弧形底件，701-第一延伸部，8-螺栓，9-收口型中间件，10-凹型顶件，11-凹型顶件出气孔，12-固定螺栓，13-气流管，14-粒子对冲管，15-内螺纹盲孔，16-对冲进气口，17-第一柱形腔，18-协流进气口，19-总出气口，20-压力表接口，21-压力表，22-旋流腔，23-扩径腔，24-第二柱形腔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”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发明和简化描述，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保护范围的限制。

实施例1：

如图1所示的一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，包括旋流腔22、与旋流腔22连通的进气喷管2和粒子对冲管14，旋流腔22由依次可拆卸连接的弧形底件7、收口型中间件9、凹型顶件10围绕而成；粒子对冲管14上设置总出气口19；

弧形底件7的凹面朝上，收口型中间件9的内径由下往上逐渐减小，凹型顶件10的凹面朝下；

进气喷管2自弧形底件7插入至旋流腔22中，粒子对冲管14连通至凹型顶件10内。

本实施例中，弧形底件7与收口型中间件9之间、收口型中间件9与凹型顶件10之间，均通过螺栓进行可拆卸连接并通过橡胶圈保证密封。

在更为优选的实施方式中，收口型中间件9的下截面与上截面内径比为2～3:1。收口型中间件上端与凹型顶件10之间平滑过渡连接。

实施例2：

一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，在实施例1的基础上，弧形底件7底端设置向下延伸的第一延伸部701，进气喷管2外壁设置径向向外延伸的第二延伸部201；进气喷管2贯穿第一延伸部701插入至旋流腔22中，且第二延伸部201无法进入第一延伸部701；还包括位于第二延伸部201上表面的环形凹槽3，环形凹槽3用于装配密封圈6；进气喷管2与第一延伸部701之间通过螺套5可拆卸连接。

其中，如图2所示，进气喷管2插入至旋流腔22中的一端设置沿轴向分布的上、中、下三组排气组件；排气组件由四个环形均布的旋流孔4组成，旋流孔4孔径为0.5～1mm；位于最下方的排气组件与旋流腔22底部等高。

在更为优选的实施方式中，旋流孔的开设角度如图3所示，角度θ优选在15～30°范围内，能够产生较强的气体旋流。

实施例3：

一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，在上述任一实施例的基础上，如图5所示，粒子对冲管14包括相对分布的两个对冲进气口16，两个对冲进气口16各通过一根气流管13连通至凹型顶件10内。

粒子对冲管14内包括从下往上依次连通的第一柱形腔17、扩径腔23、第二柱形腔24，第一柱形腔17的内径小于第二柱形腔24的内径，扩径腔23从靠近第一柱形腔17的一端至靠近第二柱形腔24的一端内径逐渐增大；第一柱形腔17底部封闭，对冲进气口16设置在第一柱形腔17侧面，且对冲进气口16的出气端呈缩口状。

总出气口19设置在第二柱形腔24侧面，还包括与第二柱形腔24连通、且位于总出气口19对侧的协流进气口18。

如图4所示，凹型顶件10顶部设置固定螺栓12，粒子对冲管14设置与固定螺栓12相匹配的内螺纹盲孔15，粒子对冲管14与凹型顶件10通过螺纹连接。

在更为优选的实施方式中，凹型顶件10的侧面设置两个相互正对的凹型顶件出气孔11，两根气流管13分别与两个凹型顶件出气孔11连接。

在更为优选的实施方式中，粒子对冲管14顶部开设有压力表接口20，用于安装压力表21，监测粒子发生器内部的压力，并由此作为反馈调节气源压力。

在更为优选的实施方式中，对冲进气口16的缩口出气端末端口径范围为1.5～2mm。

实施例4：

一种旋流对冲式PIV固体粒子发生方法，包括以下步骤：

取下凹型顶件10，向旋流腔22中加入固体粒子粉末，装上凹型顶件10；其中加入的固体粒子粉末的体积为旋流腔22容积的1/4～1/3；

将总出气口19与待测流场的管线连接，由气源经进气喷管2向旋流腔22内通入氮气或干燥空气，调整旋流腔22内的压力与待测流场匹配；

打开管线上的阀门，固体粒子从总出气口19进入待测流场，开始试验；

试验结束后，关闭气源，取下螺套5，打开粒子罐，对罐体内部进行清理。

其中，固体粒子从总出气口19进入待测流场的方法包括：

通过设置在粒子对冲管14上、且位于总出气口19对侧的协流进气口18，向粒子对冲管14内通入氮气或干燥空气；

旋流腔22内的固体粒子随气流通过与凹型顶件10连通的两根气流管13进入两个对冲进气口16；

两个对冲进气口16喷出的固体粒子在第一柱形腔17内部碰撞，之后随气流运动、从总出气口19排出，进入待测流场。

本实施例中通过协流进气口18通入氮气或者干燥空气对粒子气流进行稀释，当该进气口关闭时，气流粒子浓度最大。总出气口19输出所需浓度的粒子气流，并由外接的粒子传输管导入待测流场。压力表21监测粒子发生器内部的压力，并由此作为反馈调节气源的压力。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (7)

1.一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，其特征在于，包括旋流腔（22）、与旋流腔（22）连通的进气喷管（2）和粒子对冲管（14），所述旋流腔（22）由依次可拆卸连接的弧形底件（7）、收口型中间件（9）、凹型顶件（10）围绕而成；所述粒子对冲管（14）上设置总出气口（19）；

所述弧形底件（7）的凹面朝上，所述收口型中间件（9）的内径由下往上逐渐减小，所述凹型顶件（10）的凹面朝下；

所述进气喷管（2）自弧形底件（7）插入至旋流腔（22）中，所述粒子对冲管（14）连通至凹型顶件（10）内；

所述弧形底件（7）底端设置向下延伸的第一延伸部（701），所述进气喷管（2）外壁设置径向向外延伸的第二延伸部（201）；所述进气喷管（2）贯穿第一延伸部（701）插入至旋流腔（22）中，且所述第二延伸部（201）无法进入第一延伸部（701）；还包括位于第二延伸部（201）上表面的环形凹槽（3），所述环形凹槽（3）用于装配密封圈（6）；所述进气喷管（2）与第一延伸部（701）之间通过螺套（5）可拆卸连接；

所述粒子对冲管（14）包括相对分布的两个对冲进气口（16），两个对冲进气口（16）各通过一根气流管（13）连通至凹型顶件（10）内；

所述粒子对冲管（14）内包括从下往上依次连通的第一柱形腔（17）、扩径腔（23）、第二柱形腔（24），所述第一柱形腔（17）的内径小于第二柱形腔（24）的内径，所述扩径腔（23）从靠近第一柱形腔（17）的一端至靠近第二柱形腔（24）的一端内径逐渐增大；所述第一柱形腔（17）底部封闭，所述对冲进气口（16）设置在第一柱形腔（17）侧面，且对冲进气口（16）的出气端呈缩口状。

2.根据权利要求1所述的一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，其特征在于，所述进气喷管（2）插入至旋流腔（22）中的一端设置若干沿轴向分布的排气组件；所述排气组件包括若干环形均布的旋流孔（4）。

3.根据权利要求2所述的一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，其特征在于，所述排气组件由四个旋流孔（4）组成，所述旋流孔（4）孔径为0.5～1mm；位于最下方的排气组件与所述旋流腔（22）底部等高。

4.根据权利要求1所述的一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，其特征在于，所述总出气口（19）设置在第二柱形腔（24）侧面，还包括与第二柱形腔（24）连通、且位于总出气口（19）对侧的协流进气口（18）。

5.根据权利要求1所述的一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器，其特征在于，所述凹型顶件（10）顶部设置固定螺栓（12），所述粒子对冲管（14）设置与所述固定螺栓（12）相匹配的内螺纹盲孔（15），粒子对冲管（14）与凹型顶件（10）通过螺纹连接。

6.基于权利要求1~5中任一所述的一种旋流对冲式PIV固体粒子发生器的粒子发生方法，其特征在于，包括：

S1、取下凹型顶件（10），向旋流腔（22）中加入固体粒子粉末，装上凹型顶件（10）；其中加入的固体粒子粉末的体积为旋流腔（22）容积的1/4～1/3；

S2、将总出气口（19）与待测流场的管线连接，由气源经进气喷管（2）向旋流腔（22）内通入氮气或干燥空气，调整旋流腔（22）内的压力与待测流场匹配；

S3、打开所述管线上的阀门，固体粒子从总出气口（19）进入待测流场，开始试验；

S4、试验结束后，关闭所述气源，拆卸所述进气喷管（2）和/或弧形底件（7），清理旋流腔（22）内部。

7.根据权利要求6所述的粒子发生方法，其特征在于，固体粒子从总出气口（19）进入待测流场的方法包括：

S301、旋流腔（22）内的固体粒子随气流通过与凹型顶件（10）连通的两根气流管（13）进入两个对冲进气口（16）；

S302、通过设置在粒子对冲管（14）上、且位于总出气口（19）对侧的协流进气口（18），向粒子对冲管（14）内通入协流气体，以调节粒子浓度；

S303、两个对冲进气口（16）喷出的固体粒子在第一柱形腔（17）内部碰撞，之后随协流气体、从总出气口（19）排出，进入待测流场。