[發明專利]一種滴灌灌水器迷宮流道內流動的全場測試方法

有效

• 申請號: 201010163676.4
• 申請日: 2010-04-29
• 公開（公告）號: CN101852814A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 李云開;劉海生;楊培嶺;徐宏兵;劉洪祿;徐飛鵬
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G01P5/22
• 分類號: G01P5/22
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

1.一種滴灌灌水器迷宮流道內流動的全場測試方法，其特征在于，將灌水器迷宮流道內流體流動視為典型的穩態粘性不可壓縮流動，忽略水滴滴落過程引起的水擊對灌水器出流的影響；首先設計新型灌水器透明模型，以示蹤熒光粒子為基礎，借助DPIV系統，借助示蹤粒子的跟隨運動表征水流運動行為；利用激光束照明流場，使用CCD相機連續拍攝流場照片，對連續兩幀粒子圖像進行相關計算，從而得到流場一個切面內各點的速度流場特性參數；具體包括：

1)模型設計，Gilaad等指出灌水器流道不但尺寸非常小，流道邊界的粘性底層占整個水流的比例很大，而且流道斷面尺寸和形狀都在不斷變化，局部水頭損失是流道的消能的主要形式；Ozekici和Sneed指出齒形迷宮流道平均有98％的水頭損失發生在流道的齒形結構處，為此可以對灌水器塑料原型的消能單元進行簡化，忽略流道進口柵格的作用，只保留消能主體迷宮式流道部分，為此將迷宮流道單元段入口工作壓力調整為該單元段的水頭損失即可以模擬整個灌水器迷宮流道內水的流動，在確定灌水器各部分參數的基礎上，利用計算機輔助設計軟件Pro/ENGINEER?Wildfire?4.0實現灌水器流道模型的三維重構；所設計的圓柱形灌水器流道模型結構是在迷宮流道3的一端為進水口4，另一端為出水口1，整個模型固定在底座2上；

2)測試系統組成

本系統主要由軟件和硬件兩部分組成，硬件部分為有雙脈沖激光器8放置在灌水器流道模型7的附近作為照明光源，CCD相機6正對灌水器流道模型7，供水系統9的水管連接在灌水器流道模型7的進水口4，CCD相機6的信號傳輸線和計算機5連接；圖像采集由CCD相機6擔任，所述軟件主要包括由魏潤杰提供的MicroVec?Version?2.0，對圖像采集、粒子識別、結果顯示和結果計算的處理；及使用Tecplot10.0軟件進行渦量場、速度等值線、流線以及速度矢量場的圖像結果的顯示；其中MicroVec?Version?2.0和Tecplot10.0軟件是北京立方天地科技公司銷售的產品

3)流場測試

對透明灌水器迷宮流道內水的流場進行準三維測試，準三維測試結果通過獲取灌水器迷宮流道不同位置的圖像而實現，即在相互垂直的兩個方向上實現灌水器迷宮流道的可視化，流動測試的參數主要是灌水器迷宮流道內流體的速度矢量分布，試驗過程涉及單相流和兩相流兩種流動特征的測試，單相流測試時選擇平均粒徑為4.0μm，密度為1.05Kg/m³的熒光粒子示蹤水流的流動狀態。為了探索懸浮固體顆粒在流道中的運動規律，本試驗選擇了平均粒徑為50μm和100μm，密度為1.05Kg/m³的兩種熒光粒子示蹤固相顆粒物。單相流試驗測試具體步驟如下：

(a)試驗設備的優化組合。

采用步驟2)的測試系統，使模型在設計壓力下持續不間斷的工作，然后將其固定在可以移動平臺上，保證其工作期間的穩定性；調整CCD相機移動平臺的位置，使CCD相機鏡頭與灌水器流道模型被拍攝位置垂直；改變雙脈沖激光器出光口的方向，保證激光光束將灌水器流道模型流道全部照亮，開啟全部設備，將激光能量，CCD相機焦距和拍攝效果統一協調到最佳狀態；

(b)布撒熒光粒子

使用量筒每次取10ml熒光粒子倒入供水平臺上的灌水器流道模型的進水口處的水箱中，待混合均勻后再通過濃度檢測設備確認其濃度是否滿足要求，若檢測結果不能達到最佳效果，則繼續添加熒光粒子，以實現灌水器迷宮流道內速度的可視化為止；

(c)數據采集，

將供水平臺的壓力調節到預定值，可調節范圍是0KPa-150KPa，待其工作穩定后，利用三維移動平臺將CCD相機位置調整到模型的一端并記錄CCD相機在移動平臺上的位置，然后微調CCD相機與灌水器流道模型間的相對位置，對準焦距，保證圖像的清晰度，設置圖像之間的時間間隔，開始灌水器流道模型流道內第一部分流動數據的采集，然后根據移動平臺上所記錄的刻度值，繼續使用位置調節螺旋將CCD相機水平移動到下一個拍攝位置，重復上述操作，進行模型流道內第二部分流動數據的采集。利用同樣的方式完成模型剩余部分流道內的數據采集。完成正面的數據采集后，調整透明灌水器流道模型的位置，使灌水器流道模型流道的側面垂直于CCD相機的鏡頭，然后重復以上過程，繼續采集灌水器流道模型流道內側面的速度圖像，從而實現透明灌水器流道模型流道內流速的三維測試。改變壓力，重復以上操作，實現透明灌水器流道模型在不同工作壓力條件下的流速測試；

(d)數據處理

利用MicroVec?V2.0軟件對采集到的流動圖像數據進行計算，即該軟件中對速度矢量的計算采用快速傅里葉變換技術和空間金字塔結合的方式；分析粒子圖像測速獲取的流場粒子速度矢量分布結果；

(e)結果分析

利用Tecplot軟件，對數據處理結果進行后期加工，從而實現透明灌水器流道流道的全場測試，分析結果如下：透明灌水器迷宮流道內液體流速在10KPa、50KPa、100KPa時的三種壓力條件下流道單元段內流速分布特征，以不同的箭頭代表了不同的流速，由流速分布圖可以看出，在三種壓力條件下迷宮流道內部流體流動都呈復雜的紊流狀，在三種壓力條件下流速分布特征相似。

灌水器迷宮流道內液體流速在10KPa、50KPa、100KPa時的三種壓力條件下垂直流道深度方向的速度分布情況，該方向的流動顯示結果從另一個角度說明了流道內的水流運動特征，從而突破了流道內速度分布的二維測試局限；

兩相流的測試，將單相流的水樣更換成清水，然后對整個供水平臺進行多次清洗，避免不同粒徑的熒光粒子間的相互干擾，對透明灌水器流道模型同樣進行多次清洗，確保其內部沒有不同粒徑熒光粒子的殘留；然后重復單相流試驗過程中的操作步驟，對兩相流的流動特征進行測試。其測試結果如下：

(a)灌水器迷宮流道在常規壓力條件下，兩相流的試驗結果顯示同種壓力條件下同一流道單元段內兩種粒子的速度分布情況說明，在水流的作用下流道內的固體粒子與水流質點的速度分布相似；

(b)灌水器迷宮流道在常規壓力條件下，兩相流垂直流道深度方向的速度分布試驗結果顯示垂直流道深度方向拍攝的固體懸浮顆粒在流道內的分布特征說明，當粒子運動到邊壁時，受到阻力的作用后流道方向明顯改變。