[發明專利]一種用于大型高速風洞PIV試驗的示蹤粒子發生器

有效

• 申請號: 202011068849.4
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112229597B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 楊可;陳植;張林;李玉平;周方奇
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種用于大型高速風洞PIV試驗的示蹤粒子發生器。該粒子發生器的罐體的頂部固定有罐體上蓋板，罐體上蓋板上開有示蹤粒子出口，底部固定有溶劑排出口，內裝溶劑，溶劑液面上方固定有內部擋板，外壁固定有液位計。示蹤粒子排出驅動管路伸入至罐體的上部、溶劑的液面上方；Laskin噴嘴管路以示蹤粒子排出驅動管路為中心均勻分布，Laskin噴嘴管路伸入至罐體的下部浸入溶劑中并分布有Laskin噴嘴。Laskin噴嘴管路進氣口與示蹤粒子出口交錯排列。示蹤粒子排出驅動管路和Laskin噴嘴管路進氣口外接中壓氣源。該示蹤粒子發生器生成的示蹤粒子的跟隨性和光散射性較好，濃度合適，能夠滿足2米量級大型跨聲速風洞的跨聲速流場PIV測量試驗需求。

技術領域

本發明屬于高速風洞試驗技術領域，具體涉及一種用于大型高速風洞PIV試驗的示蹤粒子發生器。

背景技術

PIV技術是利用雙脈沖激光照射到被測對象(比如風洞的氣流)、在被測對象中撒播示蹤粒子、獲得連續2幅粒子圖像、利用互相關算法得到粒子位移，從而最終得到示蹤粒子速度。由于示蹤粒子跟隨被測對象運動，因此所測得的粒子速度也就可以認為是被測對象的速度(前提是粒子能夠真實跟隨被測對象)。PIV試驗中，示蹤粒子的跟隨性、光散射特性和濃度對試驗數據質量起決定性作用。

示蹤粒子的跟隨性和光散射特性主要取決于示蹤粒子材料的密度和粒徑，對于相同的示蹤粒子材料，示蹤粒子的粒徑越小，跟隨性就越好，數據可信度越高，但粒徑太小會導致粒子亮度變差，影響原始圖像的信噪比；相反，粒徑越大，粒子亮度越高，圖像信噪比越好，但跟隨性會變差。在進行示蹤粒子發生器設計時，必須根據實際應用需求，選擇合適的示蹤粒子制備方法，保證示蹤粒子在跟隨性和光散射性方面取得一個良好的平衡。

目前，PIV試驗研究主要集中在低速風洞，相比高速風洞，低速風洞運行時間長，風速較低，示蹤粒子發生和流量控制難度相對較低。高速風洞方面，主要集中在小尺寸研究性高速風洞，該類風洞試驗段流量小，對示蹤粒子發生量要求較低，市面上的小型商用粒子發生器即可滿足粒子濃度需求。

隨著飛行器研制需求的不斷提高，越來越多的飛行器需要在大尺寸風洞中開展試驗研究，大尺寸風洞的模型外形模擬更加真實，試驗雷諾數高，更有利于還原飛行器真實流動狀態。因此，在大型高速風洞中開展PIV試驗研究的需求也越發迫切。

在大型高速風洞中開展PIV試驗，還必須考慮示蹤粒子材料對洞體的污染問題。高速流場中通常使用兩類示蹤粒子：一種是固態微粒，一種是液態微粒。固態微粒的優點在于粒徑可控性好，粒徑較小，具有良好的流動跟隨性，同時光散射性極佳，圖像信噪比很高。此外，固態微粒的物理特性也比較穩定可靠。固態微粒的缺點在于對風洞洞體的污染比較嚴重，跨聲速風洞結構形式比較復雜，其試驗段外面通常還有一個大尺寸的駐室，試驗段與駐室氣流相通，固態微粒不僅會附著在風洞內流道表面，還會通過開孔壁或者開槽壁進入駐室內部。駐室內部通常放置有大量精密測試儀器和裝置，無法接受大量固態微粒的附著污染。此外，固態微粒被吸入風洞操作人員體內，也會對健康造成傷害。因此，只能考慮液態示蹤粒子。液態示蹤粒子有多種制備方法，其中包括Laskin噴嘴霧化方法、超聲霧化方法等等。不同的制備方法采用的示蹤粒子材料有所不同，產生的粒子粒徑也有差別。通常，超聲霧化產生的粒子粒徑相對較大，其平均直徑3μm～10μm之間，比較適合低速流場的PIV試驗；采用Laskin噴嘴對油性液體進行霧化處理，將氣流從直徑為1mm的小孔中高速射入油性液體中，其剪切作用可產生大量直徑1μm左右的液態微粒，微粒混合在氣泡中浮出液體表面，由氣流驅動進入風洞內部。根據相關文獻的結論，直徑為1μm左右的液態粒子非常適合作為高速流動PIV測試的示蹤粒子，其氣流跟隨性和光散射性都相對比較均衡。

當前，亟需發展一種基于Laskin噴嘴的專用于大型高速風洞PIV試驗的液態示蹤粒子發生器。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種用于大型高速風洞PIV試驗的示蹤粒子發生器。