CN210293618U - 一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，包括变频电机、联轴器、第一轴、第二轴、圆盘、外方内圆水槽、CCD相机、片光源、激光器、同步仪、计算机、铜管、脉冲发生器、阀、流量计、恒定水箱、落水管、水泵、蓄水池；所述恒定水箱设置于蓄水池上边，外方内圆水槽设置于蓄水池侧边；所述外方内圆水槽包括方形外水槽、圆形内水槽，圆形内水槽设置于方形外水槽内，圆形内水槽两端开口，圆形内水槽的一端与方形外水槽固定，另一端与方形外水槽留有间隙；通过本实用新型，能够准确地、全面地、系统地采用PIV研究不同雷诺数、冲击距离、壁面转速及脉冲周期对流场中各种流动特征的影响规律。

Description

一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，主要用于恒压脉冲射流冲击旋转壁面耦合流动的瞬时速度测量。

背景技术

脉冲射流是非连续射流，这种间断射流类似于子弹射出，脉冲水射流利用水力冲击——水锤作用产生的巨大瞬态能量,来达到切割或破碎材料等目的。从其形成方式可以把脉冲射流分为三种类型：阻断式脉冲射流、激励式脉冲射流和挤压冲击式脉冲射流。本实验装置研究对象为阻断式脉冲射流。

射流冲击旋转壁面在加热、冷却以及化学等领域中应用广泛，例如金属表面热处理、航空电子及涡轮叶片的冷却和化学气相沉积等。除此之外，生活中许多机械可近似看作射流冲击旋转壁面，例如射流式自吸泵等。在射流冲击旋转壁面的基础上引入脉冲因素，导致射流与壁面间的流动复杂且剧烈，涡结构变化显著且具有高扩散率和巻吸率，能够有效改善传热过程。因此全面地研究不同雷诺数、冲击距离、壁面转速及脉冲周期对流场中各种流动特征的影响规律具有重要的学术意义和工程应用价值。

目前，现有的射流冲击旋转壁面实验装置基本具有以下特点：采用热线热膜流速计（HWFA）和激光多普勒测速仪（LDV）等单点测量技术，通过计算粒子的运动速度，实现对流场的无接触测量。然而，难以实现全流场的瞬态测量。无法系统地研究不同雷诺数、冲击距离及壁面转速对射流冲击旋转壁面耦合流动的影响。仅针对连续冲击射流，未引入脉冲因素。Minagawa Y等人的论文“Development of turbulent impinging jet on a rotatingdisk”(2004)和N. Şara等人的论文“Electrochemical mass transfer between animpinging jet and a rotating disk in a confined system”(2007)所运用的射流冲击旋转壁面实验装置具有1,2,3特点；Lallave J C等人的论文“Numerical analysis ofheat transfer on a rotating disk surface under confined liquid jetimpingement”（2006）和Liu Y H等人的论文“Particle image velocimetry measurementof jet impingement in a cylindrical chamber with a heated rotating disk”（2013）所运用的射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置具有2,3特点。

经检索，目前还没有关于恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置的专利。

实用新型内容

本实用新型专利针对上述现有的技术不足，为了研究恒压脉冲射流冲击旋转壁面的瞬态流动结构，提供了一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，该实用新型可以全面地研究不同雷诺数、冲击距离、壁面转速及脉冲周期对流场中各种流动特征的影响规律。

本实用新型的目的是这样实现的，一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，其特征是，包括变频电机、联轴器、第一轴、第二轴、圆盘、外方内圆水槽、CCD相机、片光源、激光器、同步仪、计算机、铜管、脉冲发生器、阀、流量计、恒定水箱、落水管、水泵、蓄水池；

所述恒定水箱设置于蓄水池上边，外方内圆水槽设置于蓄水池侧边；所述外方内圆水槽包括方形外水槽、圆形内水槽，圆形内水槽设置于方形外水槽内，圆形内水槽两端开口，圆形内水槽的一端与方形外水槽固定，另一端与方形外水槽留有间隙，且方形外水槽内壁、圆形内水槽外壁之间留有间隙；所述外方内圆水槽的顶部设有泄流口，且泄流口位于方形外水槽内壁、圆形内水槽外壁之间，泄流口上设有泄流管，泄流管置于蓄水池上部；

所述变频电机位于外方内圆水槽的侧边，第一轴连接于变频电机上，第二轴穿过外方内圆水槽的方形外水槽侧边，并经圆形内水槽开口置于圆形内水槽内，第一轴、第二轴经联轴器连接，且第二轴位于圆形内水槽内的一端设有圆盘；

所述恒定水箱内设有恒定腔、溢水腔，恒定腔顶部设有溢水口，溢水口上设有溢水管，恒定腔通过溢水口、溢水管与溢水腔贯通；所述溢水腔底部设有落水管，落水管位于蓄水池上边；

所述恒定腔的底部设有铜管，铜管的一端与恒定腔贯通，另一端从外方内圆水槽面向蓄水池的一侧延伸至外方内圆水槽的圆形内水槽内，铜管置于外方内圆水槽内的一端面向圆形内水槽内的圆盘；所述铜管上自与恒定腔贯通的一端依次设有流量计、阀、脉冲发生器；

所述水泵的进水口通过进水管与蓄水池贯通，水泵的出水口通过出水管与恒定腔贯通；

所述CCD相机设置于外方内圆水槽外部的正前或正后方；所述片光源位于外方内圆水槽顶部外侧，且CCD相机与片光源向下边外方内圆水槽射出的竖直光幕垂直，片光源经激光器与同步仪电连接，CCD相机与同步仪电连接，同步仪与计算机电连接。

所述铜管的形状为“L”形，铜管水平长度/铜管直径≥50，确保流体从铜管射出前充分发展。

所述第二轴与外方内圆水槽中方形外水槽之间采用滑动密封。

一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置进行实验方法，其特征是：

在外方内圆水槽和蓄水池里加满带有示踪粒子的水，启动变频电机，经第一轴、联轴器、第二轴带动圆盘转动；启动水泵，蓄水池内的水经进水管、水泵、出水管输送至恒定水箱的恒定腔，当恒定腔内的水过多时，过多的水经恒定腔上部的溢水口、溢水管流入溢水腔，并经溢水腔底部的落水管落入蓄水池；

恒定腔内的水经铜管以及铜管上的流量计、阀，并通过脉冲发生器转换为不同频率的脉冲射流，从铜管中射出，冲击在转动的圆盘壁面，形成整个脉冲射流冲击旋转壁面的流场；激光器产生的激光通过片光源照射在整个恒压脉冲射流冲击旋转壁面的中截面，通过侧面的CCD相机进行拍摄；CCD相机、片光源、激光器、同步仪与计算机组成PIV拍摄系统，实现对脉冲射流冲击旋转壁面的流场测速；

圆盘通过第二轴、联轴器、第一轴与变频电机连接，第二轴与外方内圆水槽之间采用滑动密封；

外方内圆水槽中圆形内水槽的水经圆形内水槽、方形外水槽之间的间隙、泄流口、泄流管流入蓄水池，水泵再将蓄水池的水输送进恒定水箱的恒定腔。

所述阀控制脉冲射流的雷诺数R _e 。

所述变频电机、联轴器、第一轴、第二轴、圆盘组成旋转圆盘系统，第二轴与外方内圆水槽之间采用滑动密封，整个旋转圆盘系统可相对于外方内圆水槽左右移动，调整铜管出口到圆盘壁面间的冲击距离H；即，搬动变频电机向外方内圆水槽靠近或远离，可推或拉第一轴、联轴器、第二轴，使得圆盘向铜管出口靠近或远离，调整铜管出口到圆盘壁面间的冲击距离H。

所述脉冲发生器控制脉冲射流的脉冲周期T。

本实用新型结构合理，通过本实用新型，提供的一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，该装置主要由变频电机、连轴器、轴（第一轴、第二轴）、圆盘、外方内圆水槽（包括方形外水槽、圆形内水槽）、CCD相机、片光源、激光器、同步仪、计算机、铜管、脉冲发生器、阀、流量计、恒定水箱、落水管、水泵、蓄水池组成。射流从圆形铜管射出，冲击在旋转的圆盘壁面上，形成整个流场。

采用恒定水箱为脉冲射流提供动力，水箱中液面高度恒定，即压力恒定，消除了动力源自身压力脉动带来的脉冲干扰。

外方内圆水槽采用钢化玻璃制造，在圆形蓄水池外套上方形蓄水池，方形蓄水池与圆形蓄水池之间充满水，可以有效的减小激光直接照射在圆形蓄水池上产生折射带来的误差。

轴与外方内圆水槽之间采用滑动密封，旋转圆盘系统（变频电机，联轴器，轴和圆盘）可左右移动，改变铜管射流出口到圆盘壁面的距离（冲击距离H）。

通过本实用新型，设计了一种脉冲发生器，其实质为一个信号发生器加上电磁阀的组合，通过信号发生器来控制电磁阀的开启及关闭时间，从而形成不同频率的脉冲射流。

本实用新型的有益结果是：不仅操作方便，而且能够准确地、全面地、系统地采用PIV研究不同雷诺数、冲击距离、壁面转速及脉冲周期对流场中各种流动特征的影响规律。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为恒压脉冲射流冲击旋转壁面实验装置俯视图。

图3为图1中外方内圆水槽左视方向结构示意图（图2中外方内圆水槽D-D方向结构示意图）。

图中，1变频电机、2联轴器、3-1第一轴、3-2第二轴、4圆盘、5外方内圆水槽、5-1方形外水槽、5-2圆形内水槽、5-3泄流管、6 CCD相机、7片光源、8激光器、9同步仪、10计算机、11铜管、12脉冲发生器、13阀、14流量计、15恒定水箱、15-1恒定腔、15-2溢水腔、15-3溢水管、16落水管、17水泵、18蓄水池、19-1进水管、19-2出水管。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本实用新型进行详细描述。

一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，包括变频电机1、联轴器2、第一轴3-1、第二轴3-2、圆盘4、外方内圆水槽5、CCD相机6、片光源7、激光器8、同步仪9、计算机10、铜管11、脉冲发生器12、阀13、流量计14、恒定水箱15、落水管16、水泵17、蓄水池18。

将恒定水箱15设置于蓄水池18上边，外方内圆水槽5设置于蓄水池18侧边；外方内圆水槽5包括方形外水槽5-1、圆形内水槽5-2，圆形内水槽5-2设置于方形外水槽5-1内，圆形内水槽5-2两端开口，圆形内水槽5-2的一端与方形外水槽5-1固定，另一端与方形外水槽5-1留有间隙，且方形外水槽5-1内壁、圆形内水槽5-2外壁之间留有间隙；在外方内圆水槽5的顶部设置泄流口，且泄流口位于方形外水槽5-1内壁、圆形内水槽5-2外壁之间，泄流口上设置泄流管5-3，泄流管5-3置于蓄水池18上部。

变频电机1位于外方内圆水槽5的侧边，第一轴3-1连接于变频电机1上，第二轴3-2穿过外方内圆水槽5的方形外水槽5-1侧边，并经圆形内水槽5-2开口置于圆形内水槽5-2内，第一轴3-1、第二轴3-2经联轴器2连接，且第二轴3-2位于圆形内水槽5-2内的一端设置圆盘4。

在恒定水箱15内设置恒定腔15-1、溢水腔15-2，恒定腔15-1顶部设置溢水口，溢水口上设置溢水管15-3，恒定腔15-1通过溢水口、溢水管15-3与溢水腔15-2贯通；在溢水腔15-2底部设置落水管16，落水管16位于蓄水池18上边。

在恒定腔15-1的底部设置铜管11，铜管11的一端与恒定腔15-1贯通，另一端从外方内圆水槽5面向蓄水池18的一侧延伸至外方内圆水槽5的圆形内水槽5-2内，铜管11置于外方内圆水槽5内的一端面向圆形内水槽5-2内的圆盘4；铜管11上自与恒定腔15-1贯通的一端依次设有流量计14、阀13、脉冲发生器12。

水泵17的进水口通过进水管19-1与蓄水池18贯通，水泵17的出水口通过出水管19-2与恒定腔15-1贯通。CCD相机6设置于外方内圆水槽5外部的正前或正后方；片光源7位于外方内圆水槽5顶部外侧，且CCD相机6与片光源7向下边外方内圆水槽5射出的竖直光幕垂直，片光源7经激光器8与同步仪9电连接，CCD相机6与同步仪9电连接，同步仪9与计算机10电连接。

进一步的，铜管11的形状为“L”形，铜管11水平长度/铜管11直径≥50，确保流体从铜管11射出前充分发展。第二轴3-2与外方内圆水槽5中方形外水槽5-1之间采用滑动密封。

使用时，在外方内圆水槽5和蓄水池18里加满带有示踪粒子的水，启动变频电机1，经第一轴3-1、联轴器2、第二轴3-2带动圆盘4转动；启动水泵17，蓄水池18内的水经进水管19-1、水泵17、出水管19-2输送至恒定水箱15的恒定腔15-1，当恒定腔15-1内的水过多时，过多的水经恒定腔15-1上部的溢水口、溢水管15-3流入溢水腔15-2，并经溢水腔15-2底部的落水管16落入蓄水池18。

恒定腔15-1内的水经铜管11以及铜管11上的流量计14、阀13，并通过脉冲发生器12转换为不同频率的脉冲射流，从铜管11中射出，冲击在转动的圆盘4壁面，形成整个脉冲射流冲击旋转壁面的流场；激光器8产生的激光通过片光源7照射在整个恒压脉冲射流冲击旋转壁面的中截面，通过侧面的CCD相机6进行拍摄；CCD相机6、片光源7、激光器8、同步仪9与计算机10组成PIV拍摄系统，实现对脉冲射流冲击旋转壁面的流场测速。

圆盘4通过第二轴3-2、联轴器2、第一轴3-1与变频电机1连接，第二轴3-2与外方内圆水槽5之间采用滑动密封；

外方内圆水槽5中圆形内水槽5-2的水经圆形内水槽5-2、方形外水槽5-1之间的间隙、泄流口、泄流管5-3流入蓄水池18，水泵17再将蓄水池18的水输送进恒定水箱15的恒定腔15-1。

进一步的，阀13控制脉冲射流的雷诺数R _e 。变频电机1、联轴器2、第一轴3-1、第二轴3-2、圆盘4组成旋转圆盘系统，第二轴3-2与外方内圆水槽5之间采用滑动密封，整个旋转圆盘系统可相对于外方内圆水槽左右移动，调整铜管11出口到圆盘壁面间的冲击距离H；即，搬动变频电机1向外方内圆水槽5靠近或远离，可推或拉第一轴3-1、联轴器2、第二轴3-2，使得圆盘4向铜管11出口靠近或远离，调整铜管11出口到圆盘壁面间的冲击距离H。所述变频电机1控制圆盘转速n。脉冲发生器12控制脉冲射流的脉冲周期T。

此外，使用时：

a、各实验器材按上述安装方式安装到指定位置。

b、在外方内圆水槽和蓄水池里加满带有示踪粒子的水，运转泵。

c、待整个系统运行稳定后，将实验装置中各设备调节达到所需的测试工况。

d、开启PIV设备，调整激光的位置和CCD相机视角，操作计算机进行拍摄。

本实用新型的可变参量:

1.雷诺数：调节阀门的开关程度，调节射流雷诺数；

2.壁面转速：通过变频器调整输出电源的电压和频率，改变电机转速；

3.冲击距离：左右调整旋转圆盘系统的位置，改变圆形铜管出口与圆盘的冲击距离；

4.脉冲周期：通过信号发生器控电磁阀的开启及关闭时间，形成不同频率的脉冲射流。

上述实施方式是对本实用新型的说明，不是对本实用新型的限定，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，其特征是，包括变频电机（1）、联轴器（2）、第一轴（3-1）、第二轴（3-2）、圆盘（4）、外方内圆水槽（5）、CCD相机（6）、片光源（7）、激光器（8）、同步仪（9）、计算机（10）、铜管（11）、脉冲发生器（12）、阀（13）、流量计（14）、恒定水箱（15）、落水管（16）、水泵（17）、蓄水池（18）；

所述恒定水箱（15）设置于蓄水池（18）上边，外方内圆水槽（5）设置于蓄水池（18）侧边；所述外方内圆水槽（5）包括方形外水槽（5-1）、圆形内水槽（5-2），圆形内水槽（5-2）设置于方形外水槽（5-1）内，圆形内水槽（5-2）两端开口，圆形内水槽（5-2）的一端与方形外水槽（5-1）固定，另一端与方形外水槽（5-1）留有间隙，且方形外水槽（5-1）内壁、圆形内水槽（5-2）外壁之间留有间隙；所述外方内圆水槽（5）的顶部设有泄流口，且泄流口位于方形外水槽（5-1）内壁、圆形内水槽（5-2）外壁之间，泄流口上设有泄流管（5-3），泄流管（5-3）置于蓄水池（18）上部；

所述变频电机（1）位于外方内圆水槽（5）的侧边，第一轴（3-1）连接于变频电机（1）上，第二轴（3-2）穿过外方内圆水槽（5）的方形外水槽（5-1）侧边，并经圆形内水槽（5-2）开口置于圆形内水槽（5-2）内，第一轴（3-1）、第二轴（3-2）经联轴器（2）连接，且第二轴（3-2）位于圆形内水槽（5-2）内的一端设有圆盘（4）；

所述恒定水箱（15）内设有恒定腔（15-1）、溢水腔（15-2），恒定腔（15-1）顶部设有溢水口，溢水口上设有溢水管（15-3），恒定腔（15-1）通过溢水口、溢水管（15-3）与溢水腔（15-2）贯通；所述溢水腔（15-2）底部设有落水管（16），落水管（16）位于蓄水池（18）上边；

所述恒定腔（15-1）的底部设有铜管（11），铜管（11）的一端与恒定腔（15-1）贯通，另一端从外方内圆水槽（5）面向蓄水池（18）的一侧延伸至外方内圆水槽（5）的圆形内水槽（5-2）内，铜管（11）置于外方内圆水槽（5）内的一端面向圆形内水槽（5-2）内的圆盘（4）；所述铜管（11）上自与恒定腔（15-1）贯通的一端依次设有流量计（14）、阀（13）、脉冲发生器（12）；

所述水泵（17）的进水口通过进水管（19-1）与蓄水池（18）贯通，水泵（17）的出水口通过出水管（19-2）与恒定腔（15-1）贯通；

所述CCD相机（6）设置于外方内圆水槽（5）外部，片光源（7）位于外方内圆水槽（5）顶部外侧，且CCD相机（6）与片光源（7）向下边外方内圆水槽（5）射出的竖直光幕垂直，片光源（7）经激光器（8）与同步仪（9）电连接，CCD相机（6）与同步仪（9）电连接，同步仪（9）与计算机（10）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，其特征是，所述铜管（11）的形状为“L”形，铜管（11）水平长度/铜管（11）直径≥50，确保流体从铜管（11）射出前充分发展。

3.根据权利要求1所述的一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，其特征是，所述第二轴（3-2）与外方内圆水槽（5）中方形外水槽（5-1）之间采用滑动密封。

4.根据权利要求1所述的一种恒压脉冲射流冲击旋转壁面粒子图像测速实验装置，其特征是，所述CCD相机（6）设置于外方内圆水槽（5）外部的正前或正后方。

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