CN114593929B - 一种用于pet探测器的钝体尾迹流场发生装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，包括供水部、实验部和出口部；供水部包括恒压水箱，恒压水箱中设置竖直方向的溢流板，上方连接外部供水管道，恒压水箱左右侧壁底部分别开有出水口；实验部包括矩形管道，管道上壁面的中部留有涡旋发生体安装口和法兰结构凸台；涡旋发生体通过法兰结构凸台安装于矩形管道上部；涡旋发生体内部开有“L”形通孔，示踪剂沿通孔流入矩形管道内部；管道后端通过出口导管连接阀门后再连接到收集水箱；本发明可以通过3D打印做出不同截面形状的涡旋发生体，模拟不同工况下的钝体尾迹流，进而通过PET探测器实现不同来流速度及截面形状下的钝体尾迹流场流动状态的成像。

Description

一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置及使用方法

技术领域

本发明涉及钝体尾迹流场检测技术领域，主要涉及一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置及使用方法。

背景技术

随着科学技术的发展，特别是高端制造业的迅速发展，对于检测技术也提出了越来越高的要求。许多应用领域需要对不透明密闭腔体及管道内的流体流动状态进行检测，以便及时发现那些在流固耦合过程中产生机械应力集中和机械疲劳风险较高的区域，从而对装置的寿命进行预测，并为装置内部结构改进和优化提供关键可靠的检测依据。而目前对于不透明密闭腔体及管道内部、一些高端复杂件内部流场状态的检测还没有一种很好的无损、无扰动的检测方法。应用较为广泛的光学检测方法如粒子图像测速技术等，对流场状态的检测均受到需要透明窗口等限制，无法实现真正意义上的对密闭腔体内部流场流动状态的无损检测，而正电子湮灭时产生的γ光子所具有的能量远高于可见光，具有较强的穿透性，利用该特点，可实现对不透明密闭腔体和管道内部及一些高端复杂件内部流场状态的检测。

流体绕过非流线形柱体广泛存在于能源动力系统的多个关键生产环节之中，如管式换热器中介质横掠受热管、热电偶测温时介质冲刷保护套管等。流体与柱体之间的相互作用极其复杂，其中涉及流动分离、旋涡脱落、升力振荡等非线性过程，因此，深入认识钝体绕流规律及其尾迹流场演化特性，不仅对流体力学研究具有重要的理论价值，而且对提高存在钝体绕流的工业设备安全性也具有实际意义。

传统基于光学的方法对钝体尾迹流动进行研究的实验装置往往放置在宽阔的室内，且为了便于研究人员进行观察，实验装置的体积都较为庞大，无法直接放置于PET探测器上。若要利用正电子湮灭技术实现密闭管道内部钝体尾迹流场的检测，则需要一种体积较为小巧，能够用于现有的PET探测器上，并能够产生足够稳定的钝体尾迹流场的实验装置。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置及使用方法，该装置具有体积小、操作简便和结构模块化的特点，使用时可结合PET探测器实现不同来流速度及截面形状下的钝体尾迹流场流动状态的成像。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，包括供水部、实验部和出口部；

所述供水部包括恒压水箱，恒压水箱中设置竖直方向的溢流板，上方连接外部供水管道，将外部水流输入至溢流板与恒压水箱侧壁之间，恒压水箱左右侧壁底部分别开有出水口；

所述实验部包括横向设置的矩形管道，管道进口端通过入口导管连接恒压水箱右侧壁出水口，出口端与出口部的阀门连接；所述矩形管道中段上壁面开有涡旋发生体安装口；所述涡旋发生体安装口上部设置有法兰结构凸台；所述法兰凸台中部为贯通的圆柱孔；通过法兰连接固定于矩形管道上；所述涡旋发生体截面为外径依次缩小的三级台阶柱体；上段为圆盘形法兰片，中段为圆柱底座，底端为柱形钝体；所述涡旋发生体通过圆柱底座与法兰结构凸台内径配合固定安装；所述法兰片沿轴线开有柱状通孔，圆柱底座上端面与柱状通孔同轴设置有细通孔，延伸至柱形钝体；所述细通孔截面为“L”形，柱形钝体侧壁开有对应的末端开口；示踪剂容器通过示踪剂注入管连接至法兰片轴线通孔，将示踪剂输入至柱形钝体的末端开口，进而流入矩形管道内；

所述矩形管道的出口端通过阀门连接出口导管，排出的液体沿出口导管流入收集箱内。

进一步地，还包括储水箱，储水箱内部设置有可调功率水泵，可调功率水泵与外部供水管道相连；恒压水箱左侧出水口将多余液体排入储水箱内。

进一步地，所述恒压水箱右侧出水口连接有涡轮流量计，所述涡轮流量计通过入口导管与矩形管道进口端连接。

进一步地，所述矩形管道进口端固定有整流海绵。

进一步地，所述示踪剂注入管上设有流量阻尼器。

进一步地，所述法兰片沿圆周方向均匀开设有4个用于旋转法兰的圆弧形沟槽，每个圆弧形沟槽两侧圆心与法兰圆心连线的夹角均为40°；柱形钝体采用圆柱形钝体。

进一步地，所述示踪剂容器中采用¹⁸F溶液和墨水的混合溶液作为示踪剂，且示踪剂的正电子核素浓度为5-20mci/L。

进一步地，所述恒压水箱的左右两侧出水口、矩形管道的进口端和出口端均设置有不锈钢内螺纹接口；入口导管、出口导管分别通过外螺纹转宝塔接头与内螺纹接口配合连接。

进一步地，所述涡旋发生体采用树脂材料通过3D打印制作而成。

一种采用上述钝体尾迹流场发生装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1、关闭阀门，打开示踪剂注入管上的流量阻尼器，在示踪剂容器内的示踪剂溶液滴入矩形管道内后，关闭流量阻尼器，排尽示踪剂注入管内的气泡；

步骤S2、打开可调功率水泵，将储水箱内的水通过外部供水管道注入到恒压水箱内；待水位逐渐升高，依次没过矩形管道和恒压水箱内的溢流板后，通过恒压水箱左侧出口重新回流至储水箱内；此时恒压水箱处于微溢流状态，恒压水箱内的液面高度保持和溢流板高度平齐，因此矩形管道入口处压强同样恒定；

步骤S3、打开阀门后再迅速关闭，重复操作4～5次，排除贴附在矩形管道上侧壁面的气泡；

步骤S4、排除矩形管道内的气泡后，打开并调节阀门，使矩形管道内的液体流速稳定在3cm/s，通过整流海绵使管道内的水流在垂直于流动的方向更加均匀，形成稳定的层流；层流液体对涡旋发生体中伸入矩形管道内的柱形钝体形成绕流，在柱形钝体下游形成钝体尾迹流场；

步骤S5、打开流量阻尼器，使示踪剂通过涡旋发生体内留有的通孔注入到主体管道内的，并绕过柱体流入尾迹流场中；示踪剂随着尾迹流场流动并反映尾迹流场的流动状态，在矩形管道的出口处扩散消失，沿出口导管流出矩形管道，通过收集箱进行收集；

步骤S6、在形成稳定的尾迹流场后，开启PET探测器的扫描模式开始对示踪剂湮灭时产生的γ光子进行采集，在获得γ光子的数据后，将此数据用于PET动态图像重建算法的研究和对钝体尾迹流场的成像与分析。

有益效果：

(1)本发明针对传统的用于光学研究的尾迹流场发生装置不能直接用于PET探测器的问题，设计了一种体积较小的尾迹流场发生装置，该装置可以放置于PET探测器上，矩形管道可以伸进PET探测环中，尾迹流场处于PET探测器的有效视野范围内，为使用PET探测器对钝体尾迹流场进行检测与成像的相关研究工作提供了实验基础。

(2)本发明在各个组件之间实现了模块化连接方式，恒压水箱和主体管道的入口和出口均留有内螺纹接口，可以通过外螺纹转接件连接不同口径的导管、阀门以及不同量程的流量计，实现对主体管道内液体流动速度的精确控制与测量。通过3D打印，在尺寸统一的法兰结构底座上与不同截面形状的柱形进行组合，可实现对不同截面形状下的钝体尾迹流场特性变化的研究。

附图说明

图1是本发明提供的钝体尾迹流场发生装置结构图；

图2是本发明提供的涡旋发生体安装口俯视图及法兰结构凸台剖视图；

图3是本发明提供的涡旋发生体结构俯视图及剖视图。

附图标记说明：

1-储水箱；2-可调节水泵；3-外部供水管道；4-恒压水箱；5-涡轮流量计；6-入口导管；7-整流海绵；8-矩形管道；9-示踪剂容器；10-流量阻尼器；11-示踪剂注入管；12-涡旋发生体；13-阀门；14-出口导管；15-收集箱；16-第一内螺纹接口；17-第二内螺纹接口；18-第三内螺纹接口；19-第四内螺纹接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明提供的用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置具体结构如图1所示，由供水部、实验部和出口部组成。

左侧供水部包括储水箱1和恒压水箱4。恒压水箱4中设置有竖直方向的溢流板，上方连接外部供水管道3，将外部水流输入至溢流板与恒压水箱侧壁之间，恒压水箱4左右侧壁底部分别开有出水口。

储水箱1底部设置有可调节水泵2，外部供水管道3连接可调节水泵，通过储水箱1为恒压水箱4供水。恒压水箱4左侧出水口设有第一内螺纹接口16，通过管道连接至储水箱1上方，将多余液体回流至储水箱1内储存。恒压水箱4右侧底部设有第二内螺纹接口17，用于与入口导管6连接。

中段试验部主体为矩形管道8，管道进口端设有第三内螺纹接口18，通过入口导管6与供水部连接。本实施例中在入口导管中部还设有涡轮流量计5。矩形管道入口处设置有整流海绵7。矩形管道8中段上壁面开有涡旋发生体安装口2-2，具体如图2所示，涡旋发生体安装口上部设置有法兰结构凸台2-1。法兰凸台中部为贯通的圆柱孔。涡旋发生体通过法兰连接固定于矩形管道上。涡旋发生体截面为外径依次缩小的三级台阶柱体，具体结构如图3所示。上段为圆盘形法兰片3-1，中段为圆柱底座3-2，底端为柱形钝体3-3。涡旋发生体12通过圆柱底座3-2与法兰结构凸台2-1内径配合固定安装。法兰片沿圆周方向均匀开设有4个用于旋转法兰的圆弧形沟槽，每个圆弧形沟槽两侧圆心与法兰圆心连线的夹角均为40°，能够使涡旋发生体安装时调整安装角度，将柱形钝体中部的示踪剂出口旋转至正对来流方向，以便示踪剂从通孔流出后均等的分散至柱形钝体两侧。法兰片3-1沿轴线开有柱状通孔，圆柱底座3-2上端面与柱状通孔同轴设置有细通孔，延伸至柱形钝体3-3。细通孔截面为“L”形，柱形钝体3-3侧壁开有对应的末端开口。示踪剂容器9通过示踪剂注入管11连接至法兰片轴线通孔，将示踪剂输入至柱形钝体3-3的末端开口，进而流入矩形管道内。在示踪剂注入管11中段还加装了流量阻尼器10，用于控制示踪剂流量。本实施例中示踪剂采用¹⁸F溶液和墨水的混合溶液作为示踪剂，且示踪剂的正电子核素浓度为5-20mci/L。

本实施例中涡旋发生体采用留有沟槽的法兰片和带有圆柱底座的柱形钝体的组合结构，以树脂作为材料通过3D打印制作而成。实际使用时，通过3D打印，在尺寸统一的法兰结构底座上与不同截面形状的柱形钝体进行组合，可实现对不同截面形状下的钝体尾迹流场特性变化的研究。

矩形管道8右侧端口设有第四内螺纹接口19，出口导管14与矩形导管通过螺纹配合连接。液体沿出口导管14流入下方收集箱15内。在出口导管14中部还设有阀门13，用于控制水流。

本实施例中恒压水箱的左右两侧出水口、矩形管道的进口端和出口端均设置有不锈钢内螺纹接口。入口导管、出口导管分别通过外螺纹转宝塔接头与内螺纹接口配合连接。

下面提供上述钝体尾迹流场发生装置具体使用方法：

步骤S1、关闭阀门13，打开示踪剂注入管11上的流量阻尼器10，在示踪剂容器9内的示踪剂溶液滴入矩形管道8内后，关闭流量阻尼器10，排尽示踪剂注入管11内的气泡。

步骤S2、打开可调节水泵2，将储水箱1内的水通过外部供水管道3注入到恒压水箱4内。待水位逐渐升高，依次没过矩形管道8和恒压水箱4内的溢流板后，通过恒压水箱4左侧出水口重新回流至储水箱1内。此时恒压水箱4处于微溢流状态，恒压水箱4内的液面高度保持和溢流板高度平齐，因此矩形管道8入口处压强同样恒定。

步骤S3、打开阀门后再迅速关闭，重复操作4～5次，排除贴附在矩形管道8上侧壁面的气泡。

步骤S4、排除矩形管道8内的气泡后，打开并调节阀门13，使矩形管道8内的液体流速稳定在3cm/s，通过整流海绵7使管道内的水流在垂直于流动的方向更加均匀，形成稳定的层流。层流液体对涡旋发生体12中伸入矩形管道内的柱形钝体3-3形成绕流，在柱形钝体下游形成钝体尾迹流场。

步骤S5、打开流量阻尼器10，使示踪剂通过涡旋发生体12内留有的通孔注入到主体管道内的，并绕过柱体流入尾迹流场中。示踪剂随着尾迹流场流动并反映尾迹流场的流动状态，在矩形管道8的出口处扩散消失，沿出口导管14流出矩形管道8，通过收集箱15进行收集。

步骤S6、在形成稳定的尾迹流场后，开启PET探测器的扫描模式开始对示踪剂湮灭时产生的γ光子进行采集，在获得γ光子的数据后，将此数据用于PET动态图像重建算法的研究和对钝体尾迹流场的成像与分析。

在实验过程中，可通过调节阀门13的开启角度来实现对水流速度的控制，通过安装组合有不同截面形状的柱形钝体2-3的涡旋发生体12来实现对不同工况的调节。

在对装置的效果进行验证时，可先使用有机玻璃制作矩形管道，并将墨水或有颜色的溶液作为示踪剂，采用肉眼观察的方法确定涡旋发生体下游尾迹流场效果。在确定所设计的矩形管道尺寸合适后，再使用金属材料制作相同尺寸的矩形管道，实现在不透明密闭管道内部生成稳定的尾迹流场。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，其特征在于，包括供水部、实验部和出口部；

所述供水部包括恒压水箱，恒压水箱中设置竖直方向的溢流板，上方连接外部供水管道，将外部水流输入至溢流板与恒压水箱侧壁之间，恒压水箱左右侧壁底部分别开有出水口；

所述实验部包括横向设置的矩形管道，管道进口端通过入口导管连接恒压水箱右侧壁出水口，出口端与出口部的阀门连接；所述矩形管道中段上壁面开有涡旋发生体安装口；所述涡旋发生体安装口上部设置有法兰结构凸台；所述法兰凸台中部为贯通的圆柱孔；涡旋发生体通过法兰连接固定于矩形管道上；所述涡旋发生体截面为外径依次缩小的三级台阶柱体；上段为圆盘形法兰片，中段为圆柱底座，底端为柱形钝体；所述涡旋发生体通过圆柱底座与法兰结构凸台内径配合固定安装；所述法兰片沿轴线开有柱状通孔，圆柱底座上端面与柱状通孔同轴设置有细通孔，延伸至柱形钝体；所述细通孔截面为“L”形，柱形钝体侧壁开有对应的末端开口；示踪剂容器通过示踪剂注入管连接至法兰片轴线通孔，将示踪剂输入至柱形钝体的末端开口，进而流入矩形管道内；

所述矩形管道的出口端通过阀门连接出口导管，排出的液体沿出口导管流入收集箱内；

所述涡旋发生体采用树脂材料通过3D打印制作而成；

通过3D打印，在尺寸统一的法兰结构底座上与不同截面形状的柱形钝体进行组合，实现对不同截面形状下的钝体尾迹流场特性变化的研究。

2.根据权利要求1所述的一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，其特征在于，还包括储水箱，储水箱内部设置有可调功率水泵，可调功率水泵与外部供水管道相连；恒压水箱左侧出水口将多余液体排入储水箱内。

3.根据权利要求1所述的一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，其特征在于，所述恒压水箱右侧出水口连接有涡轮流量计，所述涡轮流量计通过入口导管与矩形管道进口端连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，其特征在于，所述矩形管道进口端固定有整流海绵。

5.根据权利要求1所述的一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，其特征在于，所述示踪剂注入管上设有流量阻尼器。

6.根据权利要求1所述的一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，其特征在于，所述法兰片沿圆周方向均匀开设有4个用于旋转法兰的圆弧形沟槽，每个圆弧形沟槽两侧圆心与法兰圆心连线的夹角均为40°；所述柱形钝体采用圆柱形钝体。

7.根据权利要求1所述的一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，其特征在于，所述示踪剂容器中采用¹⁸F溶液和墨水的混合溶液作为示踪剂，且示踪剂的正电子核素浓度为5-20mci/L。

8.根据权利要求1所述的一种用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置，其特征在于，所述恒压水箱的左右两侧出水口、矩形管道的进口端和出口端均设置有不锈钢内螺纹接口；入口导管、出口导管分别通过外螺纹转宝塔接头与内螺纹接口配合连接。

9.一种采用权利要求1-8中任一项所述用于PET探测器的钝体尾迹流场发生装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、关闭阀门，打开示踪剂注入管上的流量阻尼器，在示踪剂容器内的示踪剂溶液滴入矩形管道内后，关闭流量阻尼器，排尽示踪剂注入管内的气泡；

步骤S2、打开可调功率水泵，将储水箱内的水通过外部供水管道注入到恒压水箱内；待水位逐渐升高，依次没过矩形管道和恒压水箱内的溢流板后，通过恒压水箱左侧出口重新回流至储水箱内；此时恒压水箱处于微溢流状态，恒压水箱内的液面高度保持和溢流板高度平齐，因此矩形管道入口处压强同样恒定；

步骤S3、打开阀门后再迅速关闭，重复操作4～5次，排除贴附在矩形管道上侧壁面的气泡；

步骤S4、排除矩形管道内的气泡后，打开并调节阀门，使矩形管道内的液体流速稳定在3cm/s，通过整流海绵使管道内的水流在垂直于流动的方向更加均匀，形成稳定的层流；层流液体对涡旋发生体中伸入矩形管道内的柱形钝体形成绕流，在柱形钝体下游形成钝体尾迹流场；

步骤S5、打开流量阻尼器，使示踪剂通过涡旋发生体内留有的通孔注入到主体管道内的，并绕过柱体流入尾迹流场中；示踪剂随着尾迹流场流动并反映尾迹流场的流动状态，在矩形管道的出口处扩散消失，沿出口导管流出矩形管道，通过收集箱进行收集；

步骤S6、在形成稳定的尾迹流场后，开启PET探测器的扫描模式开始对示踪剂湮灭时产生的γ光子进行采集，在获得γ光子的数据后，将此数据用于PET动态图像重建算法的研究和对钝体尾迹流场的成像与分析。

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