CN204359669U - 一种追踪粒子与静置构筑物间相互作用的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型设计了一种追踪粒子与静置构筑物相互作用的试验装置，包括一侧开口的风洞室、设置在所述风洞室顶面的漏斗(6)、设置在所述风洞室内部下表面上的路基模型(1)、高速摄影系统和与所述高速摄影系统相连的计算机系统(7)，风洞室一面透明，路基模型(1)在所述风向上定位在所述漏斗(6)的下游侧，外置高速摄像头(2)用于拍摄粒子在所述风洞室内的轨迹，内置高速摄像头(3)用于拍摄粒子撞击所述路基模型(1)的过程，拍摄的图片传送并保存在所述计算机系统(7)中，以便通过所述计算机系统分析粒子与构筑物的相互作用。本实用新型的试验装置，操作方便、成本低廉、数据全面、效果直观，可以在风洞试验粒子测试技术中大范围推广应用。

Description

一种追踪粒子与静置构筑物间相互作用的试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种多相流流场测试方法，尤其涉及一种观察流场中行进的粒子与静置构筑物间相互作用的试验装置。

背景技术

风沙运动是一个古老而年轻的流体力学研究领域。近年来，粒子图像测速技术(Part icle Image Velocimetry，简称PIV)被引入风沙环境风洞进行风沙运动参数的研究。PIV是一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法，可在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息，从而可以获得流动的瞬时速度场等。PIV可运用于测量风沙流中颗粒速度分布、浓度分布、风沙地貌形成演化、防沙工程原理及应用等方面，该技术具有一定优势，克服了传统空间单点测量技术的局限性。

然而，风携带粒子运动轨迹的测试是一个非常复杂的问题，当风携带粒子前行过程中撞击到流场中静置的构筑物后，粒子呈现出反弹、运移、爬行以及吸附等运动特征。对于测试粒子撞击构筑物的位置、撞击瞬间的速度、角度，撞击后的运动轨迹等，已有的PIV技术存在局限性。例如，现有的PIV技术如下：

(1)国内学者中国科学院寒旱所钱广强，董治宝，王洪涛等人(2006)在风洞试验中，利用PIV测量气流速度，提出“粒子图像测速(PIV)技术在风沙环境风洞中的应用”，发表在“中国沙漠，2006,26(6):890-893.”；

(2)国内学者浙江大学阮晓东等人(2005)开展了两相流数字粒子图像测速的方法及其装置，用高速CCD摄像机记录示踪粒子及分散相粒子的轨迹；

(3)国外学者美国纽约大学D.G.戈里尔等人(2011)开展全息视频显微术，用于诸帧基础上分析视频流，按照自动、实时方式分析诸如球体的胶体粒子；

(4)国内学者中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所黎军等人(2013)开展了PIV流场速度修正方法，修正PIV系统测量流场速度时，由于摄像机镜头畸变所产生的测量误差。

上述现有技术主要是对已有PIV技术的不断完善和改进，但都无法实现对多相流流场中行进中的粒子与静置构筑物间相互作用的测试。因为，现有的PIV技术在风洞中的应用存在的问题如下：

(1)现有的PIV技术是通过测量粒子被风从地面吹起后，在风场中被启动、挪移、携带运行的运动轨迹，在经过预先设计的测量区域时测定的粒子瞬间运动速度。这种测试更多限制在地表附近水平区域，对于垂直区域的测试存在一定的局限性。

(2)PIV技术可以测得粒子在某一时刻的水平速度分量u、垂直速度分量w、合速度V等,但不适合用于反映风携带粒子与风场中静置构筑物的相互作用。

目前，对于风携带粒子在前进过程中与静置构筑物的相互作用规律提出了迫切的科研需求，可以为揭示构筑物侵蚀机理提供基础理论和试验依据。对流场中行进的粒子与静置构筑物间相互作用的测试，可以更准确描述构筑物的侵蚀区域和侵蚀机理。但已有的PIV技术已经不能满足实际需求。

实用新型内容

为了克服现有的缺陷，本实用新型提出一种追踪粒子与静置构筑物间相互作用的试验装置，该试验装置可以实现对多相流流场中沙粒子撞击构筑物运动轨迹的图像测试与图像分析，从而更准确揭示构筑物的侵蚀区域和侵蚀机理。

本实用新型提出的试验装置，包括一侧开口的风洞室、设置在所述风洞室顶面的漏斗(6)、设置在所述风洞室内部的下表面上的路基模型(1)、高速摄影系统和与所述高速摄影系统相连的计算机系统(7)，其特征在于，粒子通过所述漏斗(6)进入所述风洞室，所述风洞室内提供风速可控的自然风场，所述风洞室一面透明，所述风洞室的透明侧垂直于所述开口侧且平行于风向，所述路基模型(1)在所述风向上定位在所述漏斗(6)的下游侧，所述高速摄影系统包括外置高速摄像头(2)和内置高速摄像头(3)，所述外置高速摄像头(2)设置在所述透明侧的外侧且该外置高速摄像头的中心线与所述路基模型的中心线位于同一竖直平面，以用于拍摄粒子在所述风洞室内的轨迹，所述内置高速摄像头(3)设置在所述风洞室的内部底部以用于拍摄粒子撞击所述路基模型(1)的过程，所述高速摄影系统拍摄的图片传送并保存在所述计算机系统(7)中，以便通过所述计算机系统分析粒子与构筑物的相互作用。

通过本试验装置，可以进行“风携沙粒子测试、风吹雪粒子测试、风驱雨滴粒子测试”等试验，本试验装置，设计简单、方便操作、成本低廉，可以在风洞测试试验中大范围推广应用。

附图说明

图1是试验装置示意图；

图2是灯箱及其细部构造；

图3是路基在黑色PVC植绒坐标格纸上的投影示意图；

图4是风携沙粒子经过路基的不同轨迹的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的一种追踪粒子与静置构筑物间相互作用的试验装置进行详细描述。

在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本实用新型进行具体的限定；同时，为了解释的明确性，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下，也可以实施本实用新型。

如图1所示，图1提供了追踪粒子与静置构筑物间相互作用的试验装置，包括一侧开口的风洞室、设置在风洞室顶面的漏斗6、设置在风洞室内部的下表面上的路基模型1、高速摄影系统和与高速摄影系统相连的计算机7。

粒子通过漏斗6进入风洞室，风沙环境风洞室内提供风速可控的自然风场。

风洞室有一侧透明，透明侧垂直于开口侧且平行于风向，路基模型1在风向上定位在漏斗6的下游侧，漏斗可以置于风洞顶部沿风洞中心线，自漏斗中心到路基中心线的水平距离100cm，漏斗是粒子的投放装置，可以模拟粒子自由落下被风携带在风场中漂移和前行的运动轨迹。

高速摄影系统包括外置高速摄像头2和内置高速摄像头3，外置高速摄像头2设置在透明侧的外侧且该外置高速摄像头的中心线与路基模型的中心线位于同一竖直平面，以用于拍摄粒子在所述风洞室内的轨迹，内置高速摄像头3通过支架固定在风洞室的内部底部以用于拍摄粒子撞击所述路基模型1的过程，高速摄影系统拍摄的图片传送并保存在计算机系统7中，以便通过所述计算机系统分析粒子与构筑物的相互作用。

具体地，两台高速摄像头同时工作，将数据上传至计算机。其中，外置高速摄像头2(如，Pike F032C)，拍摄频率为30帧/秒，摄像机镜头附加1:1.3放大镜，将其置于风洞外侧，摄像头镜面到风洞室外侧的距离是130cm，主要用于跟踪粒子从自由落下到与路基构筑物撞击时的轨迹，以及撞击后粒子的回弹轨迹。内置高速摄像头3(如，MER-130)，拍摄频率为30帧/秒，摄像机镜头为computar镜头，长度为16mm，将其置于风洞室内侧，其镜面距离路基构筑物中心线的水平距离是90cm，路基模型水平向中心线距离风洞出风口190cm，用于更加清晰地跟踪拍摄粒子撞击路基坡面后对坡面的侵蚀破坏形貌。

高速摄影辅助装置包括灯箱4、植绒背景纸5。灯箱的主要作用是在粒子的运移轨迹上形成一个带状光幕，使粒子在一个光照亮的流场中经高速摄像拍摄的图像更清晰，粒子运动状态更加明确。

该灯箱的光源为内置的一根25W的LED灯管，为了提高拍摄的实际效果，在灯箱内部设置一个消光狭缝，使射出的强光成为一个光带，灯箱安装在风洞内顶板上，且灯箱的方向平行于沙粒子运动方向，这样使得光带从风洞顶部向下投摄，在粒子的运移轨迹上形成一个带状光幕。灯箱结构如图2所示。

植绒背景纸可以是黑色PVC植绒摄影背景，以提供更好的拍摄效果。特别是，黑色PVC植绒坐标格纸贴在风洞背面，坐标格纸边缘距离风洞出口的水平距离是150cm。

计算系统利用植绒背景纸上预先设计好的坐标格可以计算粒子的轨迹长度，计算粒子在撞击构筑物瞬间的速度及撞击角度，如图3所示，对单个粒子的运动轨迹进行分析：粒子主要受到其自重和风的携带作用，由粒子在1帧(三十分之一秒)内滑行的距离得出单个粒子撞击坡面速度v的计算公式(1)，并且利用坐标系内部根据每个表格的尺寸(5cm×5cm)可以得出单个粒子撞击坡面瞬间的角度θ的公式(2)。

$v=\frac{\sqrt{x_1^2+y_1^2}}{1/30}---\left(1\right)$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{y_1}{x_1}---\left(2\right)$

式中：x₁——粒子滑行距离的水平分量(cm)；

y₁——粒子滑行距离的竖向分量(cm)；

1/30——高速摄像机每张图片的拍摄所用时间(s)

下面说明应用本实用新型进行试验的方法，可以按如下步骤操作：

步骤1：将先前制作好的路基模型1稳固放入风洞室指定测试位置，使路基边坡坡脚与植绒纸坐标的某一纵向刻度线对齐，且全部路基模型应处于植绒纸坐标范围之内，同时尽量保证路基底部与风洞室底部齐平；路基中心线与来风向夹角为90°的填方路基，用高速摄像头专用数据传输线将内置和外置高速摄像头与数据显示及储存设备(计算机)连接稳固并开启计算机。

步骤2：打开拍摄软件，开启灯箱4，在打开计算机测试拍摄软件中将显示目前的拍摄画面，调节内外高速摄像头的亮暗度螺旋和焦距螺旋，使拍摄画面清晰明亮，细微调节内外高速摄像头的上下位置和左右位置，使路基模型1和植绒纸坐标5全部显示到拍摄画面中，使计算机设备7的拍摄软件中显示出居中、清晰、完整的路基模型与植绒纸坐标背景。

步骤3：仪器设备调试完整后，用黑色幕布挡住外置高速摄像头两侧的窗户(这是在试验中为了获得更清晰的拍摄效果)，防止外部光线的反射作用影响拍摄效果，在计算机中新建所要拍摄文件并对新建文件进行命名，开启风洞机，打开新建拍摄文件。

步骤4：点击拍摄软件的开始拍摄按钮，同时计算机将自动储存该文件。此时，第一位试验人员负责调节风洞机的风速同时并记录风速大小，第二位试验人员负责在漏斗中以每秒1-2粒的速度投放所要拍摄的粒子，第三位试验人员负责查看拍摄画面，同时指挥第一位试验人员调节风速的大小，指挥第三位试验人员投放粒子的速度和数量。

步骤5：拍摄完成后，先保存拍摄图像，并依次逐一进行筛选，选择所需要的粒子轨迹，待全部图像筛选完之后，根据已筛选图像所显示的粒子轨迹统计粒子撞击坡面的位置和粒子，从而分析粒子撞击坡面的类型，根据统计结果筛选一定数量的具有代表性的粒子，利用计算系统计算代表性粒子撞击坡面的速度和角度。

下面具体以“路基模型的高度选择60mm，边坡坡率为1:1.75和1:1.5两种，选择两种粒径组的沙粒子，1-2mm和0.5-1mm”为例，说明通过上面试验步骤测得的风携沙粒子试验结果。

对试验中拍摄到的100个粒子运动轨迹进行统计，可以得出风携沙粒子经过路基的四种运动形式：Ⅰ是沙粒子沿路基顶面直接越过或是打在路基顶面上方；Ⅱ是撞击路基边坡后回弹跳跃沿路基顶面越过；Ⅲ是沙粒子撞击路基边坡后回弹跳跃向坡脚方向运动；Ⅳ是沙粒子撞击在路基边坡上，部分小粒子会附着在坡面上。运动轨迹类型如图4所示。

根据图4中图像所显示的粒子撞击坡面的位置和粒径组对其轨迹进行统计，从而分析粒子撞击坡面的类型，可以得出四种轨迹所拥有的粒子的颗粒数及其比例，如表1所示。

表1 不同轨迹类型的粒子数及其比例

通过表1可知，当沙粒子粒径相同时，路基边坡坡率越大沙粒子附着在坡面上的粒子越多。路基边坡坡率相同时，沙粒子粒径为0.5-1mm时，(Ⅰ)、(Ⅳ)两种沙粒子运动轨迹类型占大部分；而沙粒子粒径为1-2mm时，(Ⅰ)、(Ⅱ)两种沙粒子运动轨迹类型占大部分。粒径组增大，粒子撞击力也增强，对运动轨迹类型(Ⅳ)而言，粒径组1-2mm的沙粒子数量比粒径组0.5-1mm的要少。

不同粒径粒子撞击路基边坡时的撞击位置、角度、速度的分析计算。

分别从不同粒径的拍摄视频中选取精确、清晰的10个粒子进行统计，计算系统通过公式(1)和(2)来计算不同粒径的粒子撞击在坡面时与坡面的夹角和粒子的速度，以及粒子撞在坡面的位置，见表2-4。通过对下表2、表3的分析，可以得出如下的结论：相同路基高度和边坡坡率，沙粒子粒径越大，撞击坡面自重分量的增加，撞击速度越小，撞击角度也越小，多数粒子撞击在坡中下部位置。

表2 0.5-1mm沙粒子计算数据统计表

表3 1-2mm沙粒子计算数据统计表

表4 不同坡率的计算数据比较

通过对表2-4的数据分析，可以得出如下结论：沙粒子粒径不变时，路基边坡坡率为1:1.75与坡率为1:1进行对比，沙粒子撞击坡面的平均速度减小，且粒子撞击路基坡面前与坡面的夹角θ减小。由以上结论可以得出，当路基高度和粒子的粒径一定，路基边坡的坡率越缓时，路基迎风坡面坡中上部至坡肩处风速增加效果越不明显，风携带沙粒子撞击路基边坡时，其撞击速度越小，撞击力越小，对边坡的侵蚀作用越小。

本实用新型用于跟踪拍摄风携粒子从高处自由落下，被风携带前行到撞击构筑物时的运动轨迹，提供一套分析风携带粒子与构筑物撞击时位置、速度、角度的装置，以便进一步分析置于风场中的构筑物的侵蚀机理。

与现有的PIV技术相比，本实用新型操作简单、效果直观、测试的数据全面，可以更好地应用于各种试验中。

Claims (5)

1.一种追踪粒子与构筑物相互作用的试验装置，包括一侧开口的风洞室、设置在所述风洞室顶面的漏斗(6)、设置在所述风洞室内部下表面上的路基模型(1)、高速摄影系统和与所述高速摄影系统相连的计算机系统(7)，其特征在于，粒子通过所述漏斗(6)进入所述风洞室，所述风洞室内提供风速可控的自然风场，所述风洞室一面透明，所述风洞室的透明侧垂直于所述开口侧且平行于风向，所述路基模型(1)在所述风向上定位在所述漏斗(6)的下游侧，所述高速摄影系统包括外置高速摄像头(2)和内置高速摄像头(3)，所述外置高速摄像头(2)设置在所述透明侧的外侧且该外置高速摄像头的中心线与所述路基模型的中心线位于同一竖直平面，以用于拍摄粒子在所述风洞室内的轨迹，所述内置高速摄像头(3)设置在所述风洞室的内部底部以用于拍摄粒子撞击所述路基模型(1)的过程，所述高速摄影系统拍摄的图片传送并保存在所述计算机系统(7)中，以便通过所述计算机系统分析粒子与构筑物的相互作用。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括：摄影辅助装置，所述摄影辅助装置包括通过支架固定在所述风洞室内顶部且位于所述路基模型上方的灯箱(4)、设置在与所述透明侧相对的一侧的植绒背景纸(5)，所述灯箱(4)包括灯管和消光狭缝，光线通过所述消光狭缝从风洞顶部向下投射。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述植绒背景纸(5)带有坐标。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述外置高速摄像头和所述内置高速摄像头的拍摄频率为30帧/秒。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述漏斗(6)设置在所述风洞室的顶面中心处。