[發(fā)明專(zhuān)利]測(cè)量對(duì)流條件下枝晶間流體流速的方法和裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510851587.1
• 申請(qǐng)日: 2015-11-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105483830A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳崢;劉麗芹;劉淑培;王波;張捷宇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C30B29/54
• 分類(lèi)號(hào): C30B29/54;C30B7/08;G01P5/20
• 代理公司: 上海上大專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種流體流場(chǎng)的測(cè)量方法和裝置，特別是涉及一種枝晶間流體流速測(cè)量方法和裝置，應(yīng)用于有機(jī)物枝晶生長(zhǎng)過(guò)程的模擬技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

流體流動(dòng)對(duì)合金凝固微觀組織的影響是凝固過(guò)程中廣泛存在的現(xiàn)象，而枝晶是合金凝固過(guò)程中常見(jiàn)的組織形貌，在枝晶形成過(guò)程中考慮流體流動(dòng)的影響是凝固科學(xué)一個(gè)重要的研究課題。通過(guò)研究不同對(duì)流條件下有機(jī)物枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程及狀態(tài)，是人們研究枝晶生長(zhǎng)過(guò)程的一種常用手段。對(duì)流作用下枝晶的生長(zhǎng)行為的數(shù)值模擬過(guò)程已經(jīng)取得了很多成果。柱狀晶間流體流速對(duì)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響也是非常重要的問(wèn)題，但目前枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中枝晶間溶液流速難以測(cè)量和研究方法和裝置還不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，克服已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種測(cè)量枝晶間流體流速的方法和裝置，在枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中施加水平對(duì)流，基于PIV(particleImageVelocimetry)技術(shù)，既能克服流場(chǎng)單點(diǎn)測(cè)量局限，又能進(jìn)行全流場(chǎng)瞬時(shí)、非接觸測(cè)量的測(cè)試技術(shù)。本發(fā)明通過(guò)拍攝流體中的示蹤粒子在不同時(shí)刻的位置，經(jīng)過(guò)換算得到流體流速。既不影響流場(chǎng)，并能有效記錄與測(cè)量有機(jī)物枝晶間溶液的流速。通過(guò)測(cè)定有機(jī)物枝晶間流體流速，可以研究不同對(duì)流條件對(duì)有機(jī)物枝晶形核與長(zhǎng)大過(guò)程的影響。

為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案：

一種測(cè)量對(duì)流條件下枝晶間流體流速的方法，包括如下步驟：

a．在長(zhǎng)方體透明容器內(nèi)注入含有示蹤粒子的飽和有機(jī)溶液，使透明容器的一側(cè)壁形成冷卻面，使有機(jī)物枝晶在過(guò)冷卻面上析出并生長(zhǎng)，當(dāng)有機(jī)物柱狀晶區(qū)枝晶平均長(zhǎng)度不小于8mm時(shí)，開(kāi)始驅(qū)動(dòng)所述長(zhǎng)方體透明容器并帶動(dòng)飽和有機(jī)溶液進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使有機(jī)溶液形成設(shè)定的周期性變化的流體流場(chǎng)。利用片光源激光器，在長(zhǎng)方體透明容器外部設(shè)置垂直于過(guò)冷壁面發(fā)射一片激光面。有機(jī)溶液流體中的示蹤粒子顯示流體的流動(dòng)蹤跡。利用高速相機(jī)按照設(shè)定的時(shí)間間隔記錄下流體中的粒子不同時(shí)刻的不同位置的圖像。高速照相機(jī)的拍攝幀率不低于25幀；作為優(yōu)選的技術(shù)方案，透明容器豎直安裝，并驅(qū)動(dòng)透明容器水平旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度小于10圈/分，在有機(jī)物枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中，向有機(jī)物流體施加水平對(duì)流，長(zhǎng)方體透明容器的冷卻面采用液氮作為冷卻介質(zhì)，并采用循環(huán)冷卻方式進(jìn)行冷卻，冷卻端降溫速度為5-50℃/s；驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)方體透明容器水平旋轉(zhuǎn)優(yōu)選采用全周期360°旋轉(zhuǎn)方式；或者驅(qū)動(dòng)透明容器水平旋轉(zhuǎn)優(yōu)選采用往復(fù)式旋轉(zhuǎn)方式，往復(fù)角度范圍為±5°~±90°，轉(zhuǎn)速范圍為0.5-10圈/分，往復(fù)式旋轉(zhuǎn)方式根據(jù)在水平圓盤(pán)上的光電信號(hào)來(lái)確定旋轉(zhuǎn)角度；作為優(yōu)選的技術(shù)方案，長(zhǎng)方體透明容器設(shè)置在一個(gè)水平圓盤(pán)上設(shè)定的偏心位置處，偏心距離范圍最大為200mm；作為優(yōu)選的技術(shù)方案，長(zhǎng)方體透明容器的對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)與水平圓盤(pán)的軸線(xiàn)之間保持平衡，之間的距離可調(diào)，范圍為50~200mm；示蹤粒子密度優(yōu)選不小于1.6g/cm³，示蹤粒子平均粒徑優(yōu)選不小于13um；

b．再通過(guò)分析在一定時(shí)間間隔內(nèi)示蹤粒子的位移，計(jì)算出有機(jī)物枝晶間有機(jī)流體在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的流速；作為優(yōu)選的技術(shù)方案，根據(jù)相鄰時(shí)刻采集的兩張照片上示蹤粒子的路程差與時(shí)間間隔的比值，通過(guò)計(jì)算得到有機(jī)流體內(nèi)每一點(diǎn)的流速，相機(jī)與透明容器之間的距離和相對(duì)位置可調(diào)。

一種測(cè)量對(duì)流條件下枝晶間流體流速的裝置，包括長(zhǎng)方體透明容器，向長(zhǎng)方體透明容器注入含有示蹤粒子的飽和有機(jī)溶液，長(zhǎng)方體透明容器的一側(cè)壁面由銅壁制成，設(shè)置液氮冷卻裝置，銅壁采用液氮作為冷卻介質(zhì)，利用控溫及溫度采集系統(tǒng)采用循環(huán)冷卻方式對(duì)銅壁進(jìn)行冷卻控制，使有機(jī)物在銅壁上析出并長(zhǎng)出枝晶，將長(zhǎng)方體透明容器垂直安裝在水平設(shè)置的水平圓臺(tái)上設(shè)定的偏心位置處，偏心距離范圍最大為200mm，且偏心位置可調(diào)，設(shè)置數(shù)控變頻電機(jī)，驅(qū)動(dòng)水平圓臺(tái)能進(jìn)行周期性360°水平旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式水平旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整水平圓臺(tái)的轉(zhuǎn)速及長(zhǎng)方體透明容器在水平圓臺(tái)上的位置，模擬不同轉(zhuǎn)速下流體流場(chǎng)，利用激光片光源發(fā)射器向長(zhǎng)方體透明容器內(nèi)部發(fā)射一片激光面，使激光面與銅壁垂直，將激光片光源發(fā)射器安裝在導(dǎo)軌上，使激光片光源發(fā)射器沿著導(dǎo)軌進(jìn)行平移，從而使長(zhǎng)方體透明容器內(nèi)部的激光面按照設(shè)定的時(shí)間間隔和設(shè)定的移動(dòng)距離進(jìn)行平移，以激光面作為觀測(cè)面，設(shè)置高速照相機(jī)對(duì)激光面進(jìn)行拍攝，在示蹤粒子的反射作用下，利用高速相機(jī)記錄下粒子不同時(shí)刻的不同位置的圖像，然后將圖像信息輸送到信息分析系統(tǒng)中，通過(guò)分析在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)示蹤粒子的位移，計(jì)算出在長(zhǎng)方體透明容器內(nèi)的有機(jī)物枝晶間流體在不同時(shí)間內(nèi)的流速。