一种单个喷嘴的氦气泡示踪粒子发生装置的制作方法

1.本发明属于piv速度场测量领域，尤其涉及一种单个喷嘴的氦气泡示踪粒子发生装置。


背景技术：

2.粒子图像测速（particle image velocimetry）是一种基于光学的非接触式流场测量技术，它克服了热线和激光多普勒测速只能测量单点的限制，可以在不干扰和破坏流场的情况下，得到空间流场速度场结构。
3.piv测量的基本原理是：向流场测量区域中投放可以跟随流体运动的示踪粒子，在光源和相机同步工作下，利用光源连续两次照亮示踪粒子，并通过相机连续两次曝光就可以得到两个照亮时刻下示踪粒子的图像，通过计算分析两张粒子图像可得到粒子的位移场，结合图像标定系数和两次照亮时刻的时间间隔就可以计算得到测量区域的速度场。
4.从测量原理可知，piv是一种以测量示踪粒子运动表征粒子当地流体运动的方法，因此其结果的优劣与示踪粒子息息相关。想要获得准确的速度场信息，就需要示踪粒子具有很好的流动跟随性和成像可见性。在空气流场中，对于常规的液态或固态示踪粒子而言，可长时间悬浮在空气中的粒子粒径基本在纳米或微米量级，由于粒径太小，散射光的能力弱，在有限的光照功率下，可测量的空间范围通常较小。
5.在低速空气流场的试验场合中，试验台和模型通常较大，一方面较大的测量范围要求更大的光照面积，另一方面相机与测量区域之间的距离会比较远，相机捕捉到的粒子亮度也会变低。当视场大到一定程度时，受限于硬件的光功率，使用常规的液态或固态示踪粒子将无法获得可用的图像，寻求更大粒径且仍然具有良好流动跟随性的示踪粒子是解决低速空气流场piv测量难题的关键手段之一。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中低速空气流场piv测量过程中难以获得可用的粒子图像的问题，本发明提供了一种单个喷嘴的氦气泡示踪粒子发生装置。
7.本发明的技术方案：一种单个喷嘴的氦气泡示踪粒子发生装置，所述发生装置包括喷嘴、空气源、氦气源、发泡液源，所述喷嘴内部设置同轴嵌套的流体介质流道，所述流体介质流道分别为氦气流道、空气流道、发泡液流道，所述氦气源与喷嘴中的氦气流道连接，所述空气源与喷嘴中的空气流道连接，所述空气源与发泡液源的入口连接，所述发泡液源的出口与喷嘴中的发泡液流道连接。
8.所述喷嘴包括同轴针头、针头外套、空气腔外套；所述同轴针头由内层针头、外层针头同轴嵌套连接而成，所述内层针头的针座与氦气源连接，所述外层针头的针管与发泡液源连接，所述内层针头、外层针头的针管延伸至所述针头外套的出口端，所述内层针头、外层针头之间的空隙构成喷嘴的发泡液流道；所述空气腔外套内部中空形成空腔，所述空气源与该空腔连通，所述针头外套出口端伸入到所述空腔内，所述针头外套与空气腔外套
间的空隙为空气流道，所述针头外套的入口端与同轴针头前端连接，该针头外套将同轴针头与空气腔外套连接成一体。
9.所述针头外套的出口端的端面与同轴针头的针管外端面平齐。
10.所述内层针头、外层针头的针管外端面平齐。
11.所述外层针头针管的外壁开有通孔，所述发泡液源通过与该通孔连接将发泡液输送至所述外层针头的针管内。
12.所述内层针头、外层针头为平头针头。
13.所述内层针头、外层针头首尾相接。
14.所述空气源为空气瓶或空气压缩机，所述氦气源为氦气瓶，所述发泡液源为发泡液储液桶。
15.所述发生装置还包括多个减压阀，所述减压阀设置在连接空气源与喷嘴的管路上、连接氦气源与喷嘴的管路上、连接空气源与发泡液源的管路上。
16.所述同轴针头与针头外套密封连接，针头外套与空气腔外套密封连接。
17.本发明的有益效果：1.本发明的空气源、氦气源、发泡液源是氦气泡生成所需的空气、氦气、发泡液三种介质的供应源；氦气泡是内部填充氦气的肥皂泡，而氦气的密度小于空气，通过氦气与发泡液的比例调控即可获得流动跟随性好的氦气泡。氦气泡的粒径为亚毫米或毫米量级，在低功率光照条件下可满足大范围成像的需要。另外，氦气是一种惰性气体，化学性质稳定，一般很难与其他物质发生反应，再加上氦气的使用量小，对人体无害，这使得氦气泡作为示踪粒子具有很好的安全性，将氦气泡作为示踪粒子在低速风洞大视场piv测量环境中应用具有非常大的优势，解决了现有技术中低速空气流场piv测量过程中难以获得可用的粒子图像的问题。
18.2.本发明中喷嘴由同轴针头、针头外套和空气腔外套组成，在内部形成三个同轴嵌套的介质流道，由内向外分别为氦气流道、发泡液流道和空气流道，结构简单，操作方便，所生成的氦气泡作为piv测量的示踪粒子，适用于低速流场的大视场测量。
附图说明
19.图1为本发明的一种单个喷嘴的氦气泡示踪粒子发生装置的示意图；图2为喷嘴的结构爆炸图；图3为喷嘴的结构剖视图。
20.符号说明：1.空气腔外套、2.针头外套、3.外层针头、4.内层针头、5.同轴针头、6.喷嘴、7.氦气源、8.空气源、9. 发泡液源、10.减压阀、11.发泡液源的出口、12.发泡液源的入口、16.空气流道、17.氦气流道、18.发泡液流道。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
22.结合附图1-3，本发明公开一种单个喷嘴的氦气泡示踪粒子发生装置，所述发生装置包括喷嘴6、空气源8、氦气源7、发泡液源9，所述喷嘴6内部设置同轴嵌套的流体介质流道，所述流体介质流道分别为氦气流道17、空气流道16、发泡液流道18，所述氦气源7与喷嘴6中的氦气流道17连接，所述空气源8与喷嘴6中的空气流道16连接，所述空气源8与发泡液源的入口12连接，发泡液源的出口11与喷嘴6中的发泡液流道18连接。
23.所述喷嘴6包括同轴针头5、针头外套2、空气腔外套1；所述同轴针头5由内层针头4、外层针头3同轴嵌套连接而成，所述内层针头4的针座与氦气源7连接，所述外层针头3的针管与发泡液源9连接，所述内层针头4、外层针头3的针管延伸至所述针头外套2的出口端，所述内层针头4、外层针头3之间的空隙构成喷嘴6的发泡液流道18；所述空气腔外套1内部中空形成空腔，所述空气源8与该空腔连通，所述针头外套2出口端伸入到所述空腔内，所述针头外套2与空气腔外套1间的空隙为空气流道16，所述针头外套2的入口端与同轴针头5前端连接，该针头外套2将同轴针头5与空气腔外套1连接成一体。空气源8、氦气源7、发泡液源9是氦气泡生成所需的空气、氦气、发泡液三种介质供应源；喷嘴6是生成氦气泡的关键部件，氦气泡在其内部生成并由空气推送向外输出；连接介质供应源和喷嘴6之间的管道作为介质输送通道；减压阀10用于调控向喷嘴6中输送介质的流量。氦气流道17、发泡液流道18和空气流道16三者为同轴嵌套的介质流道。
24.所述针头外套2的出口端的端面与同轴针头5的针管外端面平齐。所述内层针头4、外层针头3的针管外端面平齐。所述外层针头3针管的外壁开有通孔，所述发泡液源9通过与该通孔连接将发泡液输送至所述外层针头3的针管内。所述内层针头4、外层针头3为平头针头。所述内层针头4、外层针头3首尾相接。所述空气源8为空气瓶或空气压缩机，所述氦气源7为氦气瓶，所述发泡液源9为发泡液储液桶。发泡液储液桶上有一进一出两个接口，进口端接口通过管路和减压阀10与空气源8连接，将空气通入发泡液储液桶内部，使发泡液在气压驱动下经出口端接口通过发泡液管路输送至喷嘴6的发泡液流道18。控制减压阀10的阀后压力即可实现相应管路中的流体介质流量调节，从而能够获得理想的氦气泡示踪粒子。空气、氦气、发泡液经过各自介质流道后汇集在喷嘴6前端后经喷嘴6喷出。
25.所述发生装置还包括多个减压阀10，所述减压阀10设置在连接空气源8与喷嘴6的管路上、连接氦气源7与喷嘴6的管路上、连接空气源8与发泡液源9的管路上。所述同轴针头5与针头外套2密封连接，针头外套2与空气腔外套1密封连接。
26.同轴针头5由两只金属平头针头同轴嵌套焊接或粘接而成，内层针头4、外层针头3的针管于外端面平齐。内层针头4的针座与氦气源通过管路连接，外层针头3的针管通过开孔焊接或粘接一根不锈钢管与发泡液管路连接。内层针头4的内部空间即为喷嘴6的氦气流道17，内外两层针头之间的空隙构成喷嘴6的发泡液流道18。
27.本发明结构简单，操作方便；喷嘴6的各个零件采用焊接或粘接方式连接，容易组装；所生成的氦气泡可作为piv测量的示踪粒子，适用于低速流场的大视场测量。
28.本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。