CN114719912B - 多物理场同时测量的实验系统与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多物理场同时测量的实验系统与测量方法，用于解决现有技术中温度场、速度场、固体场的耦合及同时测量的问题，包括：耦合系统和测量系统；耦合系统包括：透明实验段，换热系统和水泵，透明实验段、换热系统和水泵通过管道连接形成循环系统，透明实验段包括透明流体腔、加热系统和扰流组件，加热系统用于对透明流体腔内的流体进行加热，扰流组件包括刚性件和柔性件，柔性件连接在刚性件上，换热系统包括换热器和制冷装置；测量系统包括：流体测温系统、流体测速系统和固体形变场测量系统，分别用于同时测量热流固耦合作用下的温度场、速度场、固体场。

Description

多物理场同时测量的实验系统与测量方法

技术领域

本发明涉及热流固多场耦合领域，特别是涉及多物理场同时测量的实验系统与测量方法。

背景技术

现有专利CN201320544155.2提供一种测试热流固多场耦合实验装置，其针对的是在不同温度、速度、扰流物体等多场耦合条件下的测试，未能实现管道内部热流固耦合作用下管道内部的温度场、速度场、固体形变场同时测量，目前尚未有固体变形场、速度场、温度场多场同时测量的实验系统和测量方法，特别是热浮力效应明显下固体变形场、速度场、温度场的耦合实验系统及测量方法。

现有对“热流固”多场耦合系统测量的相关技术和存在缺点：通过PIV（ParticalImage Velocimetry：粒子图像处理技术）仅能获得流场的速度矢量图，无法实时获取颗粒以外物体运动状态来得到固体变形场，温度场测量中接触式测量会改变流场导致温度场随之变化，且传统的非接触测温大多为表面温度非流场内部温度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多物理场同时测量的实验系统与测量方法，用于解决现有技术中热流固多场耦合作用下温度场、速度场、固体场无法同时准确测量的问题，并通过图像处理技术实现流固耦合场图像，使得研究流固耦合相互作用的问题变得更加方便和直观。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可实现多物理场同时测量的实验系统，包括：透明实验段，换热系统和水泵，所述透明实验段、所述换热系统和所述水泵通过管道连接形成循环系统，所述透明实验段包括透明流体腔、加热系统和扰流组件，所述透明流体腔内部用于供流体流通，所述加热系统用于对所述透明流体腔内的流体进行加热，所述扰流组件包括刚性件和柔性件，所述柔性件连接在所述刚性件上，所述扰流组件用于对所述透明流体腔内流体运动进行干扰，所述换热系统用于对所述透明流体腔的液体进行换热；

所述测量系统包括：流体测温系统、流体测速系统和固体形变场测量系统；

所述流体测温系统包括：荧光剂、连续激光仪和第一高速相机，所述荧光剂与所述透明流体腔内流体均匀混合，所述连续激光仪用于诱导所述透明流体腔内的所述荧光剂发光，所述高速相机用于拍摄所述透明流体腔内流体运动状态；

所述流体测速系统包括：示踪粒子、双脉冲激光仪和第二高速相机，所述示踪粒子与所述透明流体腔内流体均匀混合，所述双脉冲激光仪用于照射所述透明流体腔内示踪粒子，所述第一高速相机用于拍摄所述透明流体腔内流体运动状态；

所述固体形变场测量系统包括：光源和所述第二高速相机，所述光源用于给拍摄所述透明流体腔内流体在“热流固”耦合作用下固体形变场提供光源。

可选的，所述透明流体腔由亚克力材料或者透明玻璃材料构成。

可选的，所述加热系统包括导热件、发热件和直流稳压电源，所述发热件和所述直流稳压电源电连接形成通电回路，所述导热件用于将所述发热件的热量传递给所述透明流体腔内的流体。

可选的，还包括测温元件，所述测温元件用于所述透明流体腔内的流体内部温度及所述导热件与流体接触表面的温度。

可选的，所述刚性件在所述透明流体腔内可更换。

可选的，所述柔性件和所述刚性件可拆卸连接。

可选的，所述换热系统包括换热器和制冷装置，所述换热器与所述制冷装置通过导管相连。

可选的，还包括流量计和阀门，所述流量计在所述透明实验段进口处，所述阀门用于控制所述透明流体腔内流量。

一种测量方法，包括如下步骤：

流体温度场获取步骤：

S1，通过连续双脉冲激光仪发出激光照射所述透明流体腔中流体，利用所述第一高速相机实时获得多帧所述流体的荧光强度图片；

S2,将所述荧光强度图片中荧光强度与标定好的荧光强度和温度对照表进行对比校正，从而得流体温度图；

S3，结合时序与多帧所述流体温度图得出热流固耦合作用下流场的实时温度场；

固体形变场获取步骤；

S1，利用光源照射流体，通过第二高速相机得到柔性件的多帧状态图；

S2，获取各帧状态图中柔性件边缘图像，结合时序和所述柔性件边缘图像得出热流固耦合作用下扰流组件的实时形变场；

流体速度矢量场获取步骤：

S1，通过双脉冲激光仪发出两束激光，利用所述第二高速相机实时获得多帧连续的流场粒子图；

S2，将多帧所述流场粒子图中所述扰流组件的图像剔除；

S3，将多帧连续所述流场粒子图划分查询窗口，在窗口内对所述示踪粒子的位置进行互相关分析，得到流体速度矢量场。

可选的，所述双脉冲激光仪与所述光源交替闪烁照射所述透明流体腔内流体，通过第二高速相机拍摄流体图像，对所述流体图像进行图像识别处理，分别得到多帧示踪粒子图像和多帧柔性件的固体形变图，再通过后处理中的边缘识别提取，将所述扰流组件的图像在对应的PIV粒子图像中剔除，再进行互相关算法计算得到流体速度场，然后叠加所述固体形变图得到流固耦合的图像。

如上所述，本发明的多物理场同时测量的实验系统与测量方法，至少具有以下有益效果：

1.在所述透明实验段内流体通过所述加热系统吸收热量，由于所述扰流组件增强对流换热作用，使得所述流体在透明流体腔内形成热流固耦合，所述流体再通过所述水泵作用到达换热系统，在所述换热系统释放热量形成循环系统，所述流体测温系统、流体测速系统和固体形变场测量系统可在所述透明流体腔内同时对热流固耦合作用下所述流体的温度场、速度场和所述扰流组件形变场同时进行测量。

2.所述刚性件和所述柔性件可拆卸连接，可用于对于不同形状和材质扰流组件对热流固耦合作用影响的探究。

3.通过所述流量计对所述透明流体腔内流体流量测量和所述阀门对所述透明腔体内流量大小的控制，有利于探究温度场、速度场、固体场的多场耦合问题。

4.流场和固体变形场组合形成耦合场图像，使得研究流固耦合的相互作用变得更加方便和直观。

附图说明

图1显示为本发明多物理场同时测量的实验系统结构示意图。

图2显示为本发明透明实验段结构示意图。

图3显示为本发明加热件的示意图。

图4显示为本发明测试系统结构示意图。

元件标号说明：流量计1，透明实验段2、直流稳压电源3、阀门4、水泵5、制冷装置6、换热器7、光源8、连续激光仪9、双脉冲激光仪10、第一高速相机11，第二高速相机12，可移动盖板21，稳流段22，透明流体腔23，刚性件24、柔性件25、导热件26、连接孔261，发热件262、滤光片121。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图3。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。

请参阅图1至图2，本发明提供一种多物理场同时测量的实验系统与测量方法，包括：多场耦合系统和测量方法，所述多场耦合系统包括透明实验段2、水泵5、换热器7和制冷装置6，所述透明实验段2包括透明流体腔23，扰流组件和加热系统，所述扰流组件由刚性件24和柔性件25组成，柔性件25固定于刚性件24上，用于所述透明流体腔23内扰流作用产生流固耦合效果；同时，在所述透明实验段2内流体通过加热系统吸收热量，使得所述流体在所述透明流体腔23内形成温度场、速度场、固体场耦合，所述流体再通过所述水泵5作用到达换热系统，在所述换热系统中释放热量形成循环系统，所述测量系统包括流体测温系统、流体测速系统和固体变形场测量系统，所述流体测温系统包括荧光剂、连续激光仪9和第一高速相机11，所述荧光剂与所述透明流体腔23内流体均匀混合，所述连续激光仪9用于诱导所述透明实验段2内所述荧光剂发光，所述第二高速相机12用于拍摄所述透明流体腔23内流体运动状态；所述流体测速系统包括：示踪粒子、双脉冲激光仪10和第一高速相机11，所述示踪粒子与所述透明腔体23内流体均匀混合，所述双脉冲激光仪10用于照射所述透明流体腔23内所述示踪粒子，所述第二高速相机12用于拍摄所述透明流体腔23内流体运动状态；所述固体形变场测量系统包括：光源8和所述第二高速相机12，所述光源8用于给拍摄热流固耦合作用下固体变形场提供光源；通过流体测温系统、流体测速系统和固体变形场测量系统三者作用同时对所述透明流体腔23内所述流体在热流固耦合作用下的温度场、速度场和所述柔性件固体形变场进行测量。

本实施例中，请参阅图2，所述透明流体腔23可以选择为亚克力或者透明玻璃材料，使得所述透明流体腔23内的流体运动状态能被所述第一高速相机11和所述第二高速相机12捕捉，所述透明流体腔23顶部可以选择可移动盖板21，所述透明流体腔23底部为导热件26，所述导热件26将发热件262的热量传递给所述流体，所述流体通过所述蜂窝稳流器22得到稳定的流速再与所述扰流组件作用形成稳定的“热流固”耦合，所述可移动盖板21便于所述扰流组件的拆卸。

本实施案例中，请参阅图2，所述刚性件24可以选择为圆柱或三角柱状刚性件，所述柔性件25可以选择为长条形柔性薄片，所述刚性件24与所述透明流体腔23可拆卸连接，具体可拆卸连接实现方式不是本申请的重点，本申请仅以举例说明，比如可以通过卡接方式实现可拆卸，可用于对于不同形状和材质刚性扰流组件对流固耦合作用影响的探究，所述柔性件25固定在刚性件24后，所述刚性件24和所述柔性件25可拆卸连接，此处可拆卸连接可以通过绑定或者夹持等方式实现，流体通过所述刚性件24和所述柔性件25的扰流形成热流固耦合，并通过所述柔性件25的形变可测量热流固耦合作用下的固体形变场。

本实施案例中，请参阅图2，为进一步探究所述刚性件24和所述柔性件25增强所述透明腔23内流体对流作用，可以选择为不同尺存、形状和与所述导热件26表面距离的所述刚性件24与所述透明腔23进行卡接，可以选择不同尺寸、形状和物料性的柔性件与所述刚性件24进行连接。

本实施例中，请参阅图3，所述导热件26左右两侧均匀间隔处刻有所述连接孔261，通过所述连接孔261和螺栓、防水密封圈等元件配合，从而将所述导热件26固定在所述透明流体腔23上，所述导热件26用于将所述发热件262的热量传递给所述透明流体腔23内流体。

本实施例中，请参阅图3，所述导热件26可以选择为厚度均匀的铜板，所述铜板使得所述发热件262的热量均匀传递至所述透明流体腔23内流体。

本实施案例中，所述直流稳压电源3可以选择为可编程直流稳压电源，为使得所述透明流体腔23内流体温度在一定范围内稳定，可以选择测温元件对所述透明流体腔23内流体温度进行测量，并通过导线将数据反馈到所述可编程直流稳压电源，通过负反馈作用使得所述流体腔23内流体温度稳定在一定范围内。

本实施案例中，请参阅图1，所述换热器7和制冷装置6通过管道相连接形成换热系统，所述换制冷装置6可以根据实际要求选择，所述制冷装置6如何实现制冷是现有技术此处不再赘述，流体通过所述加热系统吸收热量后再通过所述换热系统释放热量，再次进入到循环系统中。

本实施案例中，请参阅图1，为了控制所述透明实验段2内流体流速，在所述透明实验腔段入口处设置了所述流量计1，所述流量计1可以选择为超声流量计1，使得所测试流体流量数据更为精确，依据所述流量计1的测试数据，通过所述阀门4对所述透明实验段2内流量进行控制。

本实施案例中，请参阅图4，在所述透明流体腔23内流体中均匀混合所述荧光剂，通过所述连续激光仪9对所述透明流体腔23内流体进行照射并诱导所述流体中所述荧光剂发光，所述荧光剂可以选择为罗丹明-B，所述连续激光仪9可以选择为波长为532nm的连续激光器，再通过所述第一高速相机11对所述透明流体腔23内流体运动状态进行拍照，所述滤光片121设置在所述第一高速相机11前端，所述滤光片121用于过滤所述示踪粒子在所述连续激光仪9作用下的反光，所述连续激光仪9和所述第一高速相机11两者相对位置可以选择为在空间上垂直放置；同时，所述第一高速相机与第二高速相机呈一定角度放置，所述角度可以选择为20°-40°之间，并通过透视变换方法使得拍摄荧光图像坐标变换至所述双脉冲激光器与所述第二相机拍摄所在平面。

本实施案例中，请参阅图4，在所述透明流体腔23内流体中均匀混合所述示踪粒子，用所述双脉冲激光仪10对所述透明流体腔23内流体进行照射，再通过所述第二高速相机12对所述透明流体腔23内流体中示踪粒子运动状态进行捕捉，所述双脉冲激光仪10和所述第二高速相机12两者相对位置可以选择为在空间上垂直放置。

本实施案例中，请参阅图4，利用所述光源8对所述透明流体腔23进行照明，再利用所述第二高速相机12对所述透明流体腔23内所述柔性件25的状态进行拍摄。

本实施案例中，请参阅图4，所述速度场与所述固体场的测量图片均由所述第二高速相机12拍摄获得，所述双脉冲激光仪10和所述光源8交替闪烁，此处双脉冲激光仪10可以选择为高频双脉冲激光仪，所述光源8可以选择为频闪LED灯，所述双脉冲激光仪10与所述光源8两者相对位置可以选择为在空间上垂直放置。所述双脉冲激光仪10发出在均匀时间间隔内发出激光照射所述透明流体腔23内流体，再利用所述第二高速相机12得到多帧PIV图像,在每个均匀时间间隔周期内设置所述光源8闪烁，通过所述第二高速相机12得到柔性件25在热流固耦合作用下的状态图。

一种测量方法，包括如下步骤：

S1，通过连续激光仪9发出激光照射所述透明流体腔23中流体，利用所述第一高速相机11实时获得多帧所述流体的荧光强度图片；

S2，将所述荧光强度图片中荧光强度与标定好的荧光强度和温度对照表进行对比校正，从而得流体温度图，

S3，结合时序与多帧所述流体温度图得出热流固耦合作用下流场的实时温度场；

固体形变场获取步骤；

S1，利用所述频闪LED灯照射流体，通过第二高速相机12得到柔性件的多帧状态图；

S2，获取各帧状态图中柔性件边缘图像，结合时序和所述柔性件边缘图像得出热流固耦合作用下扰流组件的实时形变场；

流体速度矢量场获取步骤：

S1，通过双脉冲激光仪10发出两束激光，利用所述第二高速相机12实时获得多帧连续的流场粒子图；

S2，将多帧所述流场粒子图中所述扰流组件的图像剔除；

S3，将多帧连续所述流场粒子图划分查询窗口，在窗口内对所述示踪粒子的位置进行互相关分析，得到流体速度矢量场。

综上所述，本发明，在实验段通过透明流体腔、扰流组件和加热系统的结合，使得流体在透明实验段内形成温度场、速度场、固体场的耦合，并利用所述测量系统的结合实现了在透明实验段内的热流固耦合作用下温度场、速度场、固体场的同时测量，并通过图像处理技术实现流固耦合场图像，使得研究流固耦合相互作用的问题变得更加方便和直观。当需要分析对不同形状或者材质的刚性件对热流固耦合作用影响时，其可以更加便捷对透明流体腔内部的扰流组件进行替换。同时，通过流量计和阀门对于透明实验腔体内流量的测量和控制，可以实现温度场、速度场、固体场的多场耦合效果。所以，本发明有效克服了现有技术中的某些缺点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种测量方法，所述测量方法利用多物理场同时测量的实验系统，所述多物理场同时测量的实验系统包括：耦合系统和测量系统；

所述耦合系统包括：透明实验段，换热系统和水泵，所述透明实验段、所述换热系统和所述水泵通过管道连接形成循环系统，所述透明实验段包括透明流体腔、加热系统和扰流组件，所述透明流体腔内部用于供流体流通，所述加热系统用于对所述透明流体腔内的流体进行加热，所述扰流组件包括刚性件和柔性件，所述柔性件连接在所述刚性件上，所述扰流组件用于增强所述透明流体腔的热对流来实现增强换热，所述换热系统用于对所述透明流体腔的液体进行换热；

所述测量系统包括：流体测温系统、流体测速系统和固体形变场测量系统；

所述流体测温系统包括：荧光剂、连续激光仪和第一高速相机，所述荧光剂与腔内流体均匀混合，所述连续激光仪用于诱导所述透明实验段内所述荧光剂发光，所述高速相机用于拍摄所述透明流体腔内流体运动状态；

所述流体测速系统包括：示踪粒子、双脉冲激光仪和第二高速相机，所述示踪粒子与所述透明流体腔内流体均匀混合，所述双脉冲激光仪用于照射所述实验段内示踪粒子，所述第一高速相机用于拍摄所述透明流体腔内流体运动状态；

所述固体形变场测量系统包括：光源和所述第二高速相机，所述光源用于给拍摄所述透明流体腔内流体在热流固耦合作用下固体变形场提供光源；

其特征在于，所述双脉冲激光仪与所述光源交替闪烁照射所述透明流体腔内流体，通过所述第二高速相机拍摄流体图像，对所述流体图像进行图像识别处理，分别得到多帧示踪粒子图像和多帧柔性件的固体形变图，再通过后处理中的边缘识别提取，将所述扰流组件的图像在对应的PIV粒子图像中剔除，再进行互相关算法计算得到流体速度场，然后叠加所述固体形变图得到流固耦合的图像。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：

流体温度场获取步骤：

通过所述连续激光仪发出激光照射所述透明流体腔中流体，利用所述第一高速相机实时获得多帧所述流体的荧光强度图片；

将所述荧光强度图片中荧光强度与标定好的荧光强度和温度对照表进行对比校正，从而得流体温度图；

结合时序与多帧所述流体温度图得出热流固耦合作用下流场的实时温度场；

固体形变场获取步骤；

利用光源照射流体，通过所述第二高速相机得到柔性件的多帧状态图；

获取各帧状态图中柔性件边缘图像，结合时序和所述柔性件边缘图像得出热流固耦合作用下所述扰流组件的实时形变场；

流体速度矢量场获取步骤：

通过所述双脉冲激光仪发出两束激光，利用所述第二高速相机实时获得多帧连续的流场粒子图；

将多帧所述流场粒子图中所述扰流组件的图像剔除；

将多帧连续所述流场粒子图划分查询窗口，在窗口内对所述示踪粒子的位置进行互相关分析，得到流体速度矢量场。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述透明流体腔由亚克力材料或者透明玻璃材料构成。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述加热系统包括导热件、发热件和直流稳压电源，所述发热件和所述直流稳压电源电连接形成通电回路，所述导热件用于将所述发热件的热量传递给所述透明流体腔内的流体。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：还包括测温元件，所述测温元件用于测量所述透明流体腔内的流体内部温度及所述导热件与流体接触表面的温度。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述刚性件在所述透明流体腔内可更换。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述柔性件和所述刚性件可拆卸连接。

8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述换热系统包括换热器和制冷装置，所述换热器与所述制冷装置通过导管相连。

9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：还包括流量计和阀门，所述流量计在所述透明实验段进口处，所述阀门用于控制所述透明流体腔内流量。

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