一种水槽PIV实验中示踪粒子自动投放装置的制作方法

一种水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置
技术领域
1.本实用新型属于流体力学和河流动力学领域，对大型明渠水槽中进行粒子图像测速法(piv)时示踪粒子的投放方法进行了改进，具体涉及一种水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置。


背景技术：

2.对流场的测量通常会用到粒子图像测速技术(particle image velocimetry)，简称piv，使用piv测量二维流场时，需要在待测液体中投放示踪粒子，通过激光片光源打亮待测区域，分析待测区域同样位置的相邻两帧中每个示踪粒子的位移计算出该示踪粒子所在点的速度矢量，测量原理如图7，从而最终得到整个流场。
3.所拍摄图像中粒子的均匀程度是影响测量结果的重要参数。示踪粒子的选择需要满足跟随性、散光性良好并且比重与流体相当，一般选用空心玻璃珠或者psp粒子（采用特殊工艺的示踪粒子，使粒子生成多面聚合非球形的表面构造，这种构造使粒子的表面积相较球形粒子大大增加，从而大幅提高粒子的反光强度），示踪粒子价格较为昂贵。
4.示踪粒子的投放均匀与否，流速改变时在流体中的浓度是否保持恒定，是piv实验成功与否的关键。
5.现代实验流体力学领域中流体的示踪粒子源密度公式被定义为： ,式中n为流体中示踪粒子浓度；a为待测流体横截面积；为水流流速；h为激光片光源厚度；d为粒子图像的直径；m为成像放大倍率；水槽piv实验中投放示踪粒子时，随着流速改变，相应需改变示踪粒子源密度，才能保证示踪粒子浓度n不变。
6.前人在恒定流情况下的实验大都采用手动投放或者水泵抽取示踪粒子溶液两种方式。手动投放是在小容器中配置示踪粒子混合溶液后将溶液倒入待测流体中，此方法首先不能保证示踪粒子在溶液中混合均匀，其次在待测流体体积较大的情况下工作量较大，耗资大且难以保证一定浓度和均匀程度，尤其是在非循环的大型明渠水槽。水泵抽取示踪粒子溶液方式是将溶液通过橡胶管泵送至待测流体的方法，该方法不能保证示踪粒子在流体中混合均匀，且流速改变时不能保证示踪粒子添加量实时调节以使其浓度恒定。


技术实现要素：

7.实用新型目的：为了解决上述现存的困难，本实用新型提供一种水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置，使得待测流体内的示踪粒子尽可能均匀分布，且满足在不同流量工况下示踪粒子浓度恒定的要求，以利于优质实验数据的获取。
8.为了实现上述技术目的，本实用新型采用的技术手段是：
9.一种水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置，包括：
10.示踪粒子搅拌装置；
11.示踪粒子运输系统，包括吸水管、输水管、水泵以及示踪粒子投放管，所述粒子投
放管垂直于水槽底面布置，粒子投放管上面向水槽下游处设有粒子投放口；
12.所述水泵通过信号传输线与流量控制仪连接；
13.所述粒子投放管上沿水深均匀分布若干粒子投放口，若干粒子投放口所在平面与piv待测激光面共面，保证粒子沿水深方向投放的浓度均匀。
14.进一步的，所述示踪粒子搅拌装置包括搅拌桶，搅拌桶内安装中心转轴、旋桨与转动轴承，所述中心转轴上设有所述旋桨，所述中心转轴与所述搅拌桶底部通过转动轴承连接。
15.进一步的，所述搅拌桶为无盖圆柱形搅拌桶。
16.进一步的，所述旋桨分上、下两层布置在所述搅拌桶内的中心转轴上。
17.进一步的，所述piv待测激光面为布设在水槽中线上的竖向平面。
18.有益效果：
19.1.本实用新型水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置，可定量控制示踪粒子源密度，将其与水流流速相对应，提高了实验效率，减少了粒子的浪费。
20.2. 本实用新型水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置相比人工投放可极大减小工作量，在流体体积较大时可快速投放使示踪粒子浓度达到要求，并提高了实验精度。
21.除了上面所述的本实用新型解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本实用新型的一种水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
附图说明
22.图1 是本实用新型实施例中水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置整体俯视图；
23.图2 是本实用新型实施例中水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置整体左视图；
24.图3 是本实用新型实施例中水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置整体后视图；
25.图4 是搅拌桶中心转轴处剖视图；
26.图5 是本实用新型实施例中水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置a-a剖面图；
27.图6 是本实用新型应用于水槽piv实验中后粒子投放在待测激光面处的分布效果图；
28.图7是piv测量原理示意图；
29.其中1：水槽；2：粒子投放管；3：流量控制仪；4：信号传输线；5：水泵；6：输水管；7：搅拌桶；8：旋桨；9：中心转轴；10：转动轴承；11：吸水管；12：粒子投放口；13：piv待测激光面。
具体实施方式实施例
30.本实施例的水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置如图1、图2、图3所示，本实用新型水槽piv实验中示踪粒子自动投放装置由示踪粒子搅拌装置、溶液输送管道以及投放浓度调节系统组成。
31.所述示踪粒子搅拌装置为一无盖圆柱形搅拌桶7，桶内安装中心转轴9、旋桨8与转动轴承10。
32.溶液输送管道的吸水管11伸入搅拌桶7中，与输水管6、水泵5、粒子投放管2先后相连，水泵5通过信号传输线4与流量控制仪3连接，粒子投放管2垂直于水槽1底面紧贴底壁安装，粒子投放管2上沿水深均匀分布若干粒子投放口12。
33.如图4所示，搅拌桶内旋桨8分上、下两层布置在中心转轴9上，中心转轴9与搅拌桶7底部有转动轴承10连接。
34.如图5所示，将不同工况下测得的水流断面平均流速输入流量控制仪3，流量控制仪3同步控制水泵5开启，示踪粒子通过粒子投放管2上的粒子投放口12投放入水槽，粒子投放口12所在投放平面与piv待测激光面13处在同一平面，两者相隔一定距离，保证待测激光面13处流场不受影响，示踪粒子在待测激光面13处均匀分布。
35.本实用新型示踪粒子投放具体操作步骤如下：
36.1.在搅拌桶7中配制一定浓度的示踪粒子溶液，打开各处电源；
37.2. 根据示踪粒子源密度公式，建立示踪粒子源密度与水流流速、流量控制仪功率与开启时长的对应关系，使流量控制仪能控制流体中示踪粒子的浓度为一恒定值；式中，n为流体中示踪粒子浓度；
38.a为待测流体横截面积；
39.为水流流速；
40.h为激光片光源厚度；
41.d为粒子图像的直径；
42.m为成像放大倍率；
43.3.水槽1过流时，通过水流流速检测仪器测得断面平均流速，流量控制仪3根据步骤二建立的对应关系控制水泵5开启，将示踪粒子投放入水槽1；
44.4.改变工况，水槽1流速改变，流量控制仪3相应改变水泵5功率，使得示踪粒子浓度保持恒定。
45.在使用本装置进行示踪粒子投放之前，通常用人工投放的方式，由于示踪粒子的扩散需要时间，在水槽中往往不能达到均匀分布，人工投放的示踪粒子在水槽中分布不均可能造成流场信息缺失。水槽体积较大时，需要人工多次投放，极大增加了工作量且造成较大浪费。
46.为了检验本实用新型的效果，进行了室内水槽流速piv测量实验，水槽宽1.2米，长10米，示踪粒子投放装置安装在水槽上游。
47.如图6所示，示踪粒子投放均匀，在水槽流量实时改变的情况下，示踪粒子浓度始终保持恒定。
48.由以上检验及分析可见，本实用新型装置的示踪粒子的投放均匀性非常好，且水槽断面平均流速改变时示踪粒子浓度始终保持恒定。
49.以上结合附图对本实用新型的实施方式做出详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本实用新型的原理和技术思想的范围内，
对这些实施方式进行多种的变化、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围内。