[發(fā)明專利]對灌水器迷宮微流道進行測量的粒子圖像測速裝置及方法

無效

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• 申請日: 2008-01-08
• 公開（公告）號: CN101216497A
• 公開（公告）日: 2008-07-09
• 發(fā)明（設計）人: 魏正英;溫聚英;唐一平;葛令行;盧秉恒
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 張震國

技術領域

本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌水器，具體涉及一種對灌水器迷宮微流道進行測量的粒子圖像測速裝置及方法。

背景技術

流場可視化技術是隨著流體力學的發(fā)展而發(fā)展起來的，其任務是使流體傳輸現(xiàn)象的過程可視化，它是流體力學的重要組成部分。通過各種流場顯示實驗，可以了解復雜的流動現(xiàn)象，探索其物理機制，為人們發(fā)現(xiàn)新的流動現(xiàn)象，建立新的概念和物理模型提供依據(jù)。PIV測試技術目前已經(jīng)成為比較成熟的技術，廣泛用于各個行業(yè)。其中PIV的用途之一是驗證CFD模型的仿真結果和為CFD模型提供邊界條件。

由于灌水器流道尺寸微小(1mm以下尺度)且結構形狀復雜，用現(xiàn)有的設備和儀器只能應用流體力學相似原理，測量其放大模型中的速度場和壓力分布，有的學者用激光多普勒測量分析迷宮流道放大模型中的速度場和壓力分布。但是迷宮流道流動特性實驗由于采用放大模型，這樣會在一定程度上改變流道微尺度下邊界層對其中流體的相互作用。

在節(jié)水灌水器結構設計時，就要考慮迷宮微小流道(1mm以下尺度)中存在的粘性細顆粒泥沙對其流場的影響，需要實際測量水一粘性泥沙兩相流動狀態(tài)，并考慮灌水器流道內(nèi)壁在不同粗糙度情況下，粘性泥沙對管壁的碰撞反彈和粘附作用，以便設計出最優(yōu)的灌水器結構并為軟件模擬計算中關鍵參數(shù)的設定提供了參考。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種通過高速粒子圖像測試技術對灌水器迷宮微流道進行測量的粒子圖像測速裝置及方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的裝置包括高壓氣瓶以及與高壓氣瓶相連通的密封水箱，該密封水箱通過管路與灌水器迷宮流道相連，所說的密封水箱內(nèi)的水為含有染色液或示蹤粒子的水，灌水器迷宮流道采用透明的玻璃試件制成，在灌水器迷宮流道的入口側管路上依次設置有控制閥、過濾器、精密調(diào)節(jié)閥和流量計，灌水器迷宮流道的一側設置有與計算機相連接的高速CCD攝像機，灌水器迷宮流道的另一側對稱設置有片光光源。

本發(fā)明的片光光源采用100W的小型錄像用燈或1300W的新聞攝像燈。

本發(fā)明采用的方法為：首先按實際尺寸建立不同類型的灌水器迷宮流道的玻璃試件；在玻璃試件的流道流場中添加染色液或示蹤粒子，添加染色液顯示流場時使用的片光光源采用100W的小型錄像用燈，添加固體示蹤粒子時使用的片光光源采用1300W的新聞攝像燈照亮所觀察的區(qū)域；根據(jù)灌水器迷宮流道滴頭正常使用條件下的工作壓力100kPa，采用高速CCD攝像機拍攝灌水器迷宮流道內(nèi)染色液或示蹤粒子的運行情況并記錄保存下來；將拍攝下來關于實際尺寸灌水器迷宮流道流場的視頻抽取成等時間間隔的連續(xù)圖片，觀察連續(xù)圖片流場中示蹤粒子的位置變化，精確獲取整個流場中多個示蹤粒子的坐標值，從而獲得宏觀流場流線圖和速度矢量圖；采用與泥沙性能類似的河沙或粉煤灰顆粒作為示蹤粒子，用微PIV系統(tǒng)測出粒子在碰撞前后的位移及時間，從而計算出碰撞前后的速度，得出能量損失系數(shù)，即反彈系數(shù)。

本發(fā)明將流體力學、Micro-PIV技術、圖像后處理技術應用于節(jié)水灌水器迷宮流道的實驗分析中，對微尺度流道中粘性泥沙環(huán)境下的實際流場測量，根據(jù)灌水器設計的要求，通過PIV實驗測量迷宮流道的實際流場流線圖和速度矢量圖，對流道結構與水和粘性泥沙兩相流關系進行研究，解決灌水器微細結構的設計制造瓶頸問題，使設計水平大大提高，通過染色線流場顯示法和固體粒子示蹤法實驗可以得到迷宮流道流場的速度矢量圖和流線圖及其對應的雷諾數(shù)，有助于加快灌水器微細流道結構與粘性顆粒的碰撞切向反彈系數(shù)和法向反彈系數(shù)之間的定量計算理論模型的建立和確定微流道內(nèi)壁表面粗糙度與泥沙粘附之間的關系，為CFD模型仿真提供關鍵參數(shù)的設定，同時也可以驗證CFD軟件模擬迷宮流道流場的準確性和可行性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明粒子圖像測速裝置的整體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例中拍攝的鋸齒形迷宮流道圖像、后處理圖片及模擬信息圖對照；

圖3是本發(fā)明實施例中拍攝的矩形迷宮流道圖像、后處理圖片及模擬信息圖對照；

圖4是本發(fā)明的實驗測量反彈系數(shù)原理圖；

圖5是本發(fā)明的實驗測量跟蹤單個示蹤粒子在等間隔時間內(nèi)的不同位置的圖像；

圖6是測定的反彈系數(shù)值。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。