[發明專利]一種高速液體射流表面速度測量裝置和方法

在審

• 申請號: 201410845725.0
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104569482A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 龔辰;楊敏官;閆龍龍;王育立
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01P5/18
• 分類號: G01P5/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明是一種高速液體射流表面速度的測量裝置和方法，屬于高速液體射流運動特性測繪技術領域，也屬于高速液體射流噴射過程成像研究領域。

背景技術

高速液體射流廣泛應用于現代工業的各個領域，根據不同的應用，需要對高速液體射流進行適當的調控，而對其發展演變過程的充分了解是實現合理調控的前提；在高速液體射流表面初始擾動研究領域，高速液體射流的表面速度是其中一個非常重要的特征量，準確測得射流表面速度是研究界面擾動和還原其真實物理的前提；不少研究取表面速度等于射流平均速度，然而，理論分析和實驗研究都表明：高速液體射流表面速度與射流平均速度存在顯著差異，高速液體射流表面速度是流向距離的復雜函數。

高速液體射流離開噴嘴后，在多種力（如，慣性力、粘性力、表面張力、界面作用力等）的共同作用下，其界面會迅速發生劇烈變化，對這一部分射流段的表面速度進行測量變得非常困難，是學術界和工程界一直探索的問題之一，接觸性的直接測量會嚴重干擾界面發展規律，顯然不可行；容易想到的非接觸式測量方法通常有兩種，即PIV測量和PDA測量；PIV測量可以重構某一瞬時的整個射流流場，但對于高速液體射流表面速度的測量，PIV難以避免兩個方面的缺陷，一是高速液體射流界面存在較大的速度梯度和加速運動，這會導致PIV測量中出現速度梯度誤差和加速度誤差；其次，PIV測量需要在液體中混摻示蹤粒子，示蹤粒子的跟隨性、濃度、尺度等會直接影響測量結果的準確度，而高速液體射流邊界層厚度極小，射流邊界所能包含的示蹤粒子數必然較少，這將直接影響測量結果的精度，再者，界面擾動本身是小尺度擾動發展的結果，示蹤粒子的加入勢必對要測量流場造成一定影響，是一個難以回避的問題，因而，對于射流表面速度的測量，PIV不是一個合適的選擇；PDA測量通常也需要在流體中添加示蹤粒子，當然也有學者利用射流破碎出的液滴充當示蹤粒子，但在噴嘴出口附近的高速液體射流，其表面只有很少量或者沒有液滴剝離，在沒有足夠液滴濃度的情況下，PDA的測量很難保證其測量的準確度和精度，也不是一個合適的測量高速液體射流表面速度的方法。

已授權專利《一種水切割用超高壓水射流長度和半徑的測量方法》，申請號：CN201010153616.4提供了一種測量超高壓水射流長度和半徑的方法。但該方法所針對的是水切割機射流的測量，其射流直徑小于1mm，射流速度大于200m/s，無法對射流表面速度進行測量。

發明內容

本發明公開了一種基于拍攝技術和圖像后處理獲得高速液體射流表面速度的方法；相對于技術背景中所提及的幾種現有測量方法，本方法的測量過程直觀可信，后處理手段簡單易行，尤其重要的是，測量結果直接來源于高速液體射流表面特征結構，因此所測得的高速液體射流表面速度相對更接近真實的高速液體射流表面速度，可以為高速液體射流初始擾動、破碎研究提供更加準確的定量信息。

本發明的測量分為通過拍攝獲得射流形態的圖像和圖像后處理兩個部分。

拍攝所涉及的裝置如附圖1，包括：高速數碼相機、微距鏡頭、高速數碼相機手持顯示器、光源和噴嘴；高速數碼相機位于噴嘴的一側，微距鏡頭連接在高速數碼相機上，微距鏡頭和噴嘴之間的水平距離為微距鏡頭的最小焦距，高速數碼相機的放置高度應使得噴嘴下邊緣恰好能夠出現在高速數碼相機手持顯示器的上緣中，使捕捉到的射流圖像上同時包含射流和噴嘴，以便后處理中有可供參考長度；光源位于噴嘴的另一側，與微距鏡頭在同一水平線。

進一步地，噴嘴正下方設有水槽，噴嘴出口下邊緣距離水槽液面高度，以能夠避免水槽濺射出的水對所要捕捉的射流造成影響為準，水槽的作用是緩解高速水射流的沖力。

進一步地，噴嘴固定在支架上，支架的作用為固定噴嘴位置。

進一步地，噴嘴和光源之間的距離以光源能照亮所要捕捉的視場為準。

進一步地，在噴嘴和光源之間放置擴散板，擴散板與光源在同一水平線，擴散板面積大于光源發光面積，擴散板的作用是獲得均勻的面光源，減小測量誤差。

進一步地，所述噴嘴是能產生高速水射流的噴嘴，噴嘴出口內徑為1~5?mm；高速水射流是指速度為20~100m/s的水射流。

主要測量步驟為：

1、??測量噴嘴的外緣直徑，得到其長度N?(mm)，然后將噴嘴固定在支架上；噴嘴與水管相連，增壓器與水管相連。

2、??在噴嘴正下方放置水槽，向水槽中注水，水位由水槽上的溢流孔控制；噴嘴出口下邊緣距離水槽液面高度，以能夠避免水槽濺射出的水對所要捕捉的射流造成影響為準。