反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置与方法

1.本发明涉及湍流漩涡动力学中的物模试验领域，具体涉及反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置与方法。


背景技术：

2.旋转射流是自由射流旋转衍生的一种复杂流动，大多处于紊流状态。旋转射流与普通射流的区别在于有切向速度，使喷嘴内的流体旋转起来以使射出的流体具有切向速度分量。除了在旋转射流中存在的轴向、径向速度分量外，旋速度（切向速度）使径向、轴向产生压力梯度并影响到整个流场。旋转射流普遍存在于自然环境和工业工程中，如发动机燃料喷注系统、锅炉燃料器、化工工业、石油钻井技术等方面都有广泛的应用。具体来说，旋转射流可促进局部燃烧、推进系统与化学反应器之间的混合等，同时飞机尾部漩涡和与风切变产生漩涡是飞机事故的主要原因。此外，大气和海洋表层流扰动产生的龙卷风、飓风和大规模涡流都可概化为自旋性射流，因此理解旋转射流的局部/整体、线性/非线性的流场结构对环境保护和生产生活至关重要。
3.室内实验是探究旋转射流宏微观结构和动力特性的有效手段。但前人多关注模拟非旋转射流的简单工况，结合粒子图像测速技术以及高清相机拍摄等手段量化非旋环境下射流涡的结构演变。目前来看，关于旋转射流宏微观动力特性的研究还相当不足，综合考虑反/共旋环境影响的装置更是凤毛麟角，这进一步制约了相关领域的研究进展。基于此，本发明提出反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提供了一种反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置与方法。
5.反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置，分为水体配置部分、射流生成部分、水体环境场部分、流场结构监测部分以及附件支撑部分。
6.所述的水体配置部分包括蓄水池、水泵和常水头水箱；所述的水泵抽取蓄水池内的水体至常水头水箱。
7.所述的射流生成部分包括旋转密封阀、旋转管、蜂窝稳流管和可替换喷嘴；所述的旋转密封阀入口与所述常水头水箱连通，控制水体的单向流入；所述的旋转密封阀出口连接所述的旋转管的一端，旋转管的另一端连接蜂窝稳流体管，旋转管自旋的同时带动蜂窝稳流管同轴转动；所述的蜂窝稳流管使水流稳定均匀地进入可替换喷嘴；所述的可替换喷嘴分为收缩型和无收缩型，收缩喷嘴用来配置层流态的均匀无旋射流，无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流。
8.所述的水体环境场部分包括实验水箱和光学匹配箱；所述光学匹配箱外包络实验水箱，所述的可替换喷嘴位于实验水箱内；所述光学
匹配箱起到消除光学畸变的作用。
9.所述的流场结构监测部分包括实时数字粒子图像测速仪系统和高清相机组合拍摄系统。
10.所述的实时数字粒子图像测速仪系统监测包括激光源、可转动反射镜、可视化图像采集ccd相机；所述的激光源采用氩离子激光器，产生激光束并照射于实验水箱上；所述的可转动反射镜置于光学匹配箱附近，通过调节其放置角度来折射激光束；所述的可视化图像采集ccd相机正对实验水箱并连续拍摄获取射流流场；所述的高清相机组合拍摄系统包括两台高清数码相机以及一固定反射镜；所述的两台高清数码相机用于获取不同配置射流的几何形态，其一高清数码相机正对实验水箱并连续拍摄获取射流侧视二维形态，另一高清数码相机置于光学匹配箱底部，并结合所述的固定反射镜连续拍摄射流仰视二维形态。
11.所述的附件支撑部分包括环境水体旋转台、旋转台控制系统和支撑台；所述的环境水体旋转台连接实验水箱与光学匹配箱，自旋同时带动实验水箱与光学匹配箱旋转；所述的旋转台控制系统控制环境水体旋转台自旋速度和方向；所述的支撑台用以支撑水体旋转台和旋转台控制系统。
12.监测反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验方法，采用上述装置，包括以下步骤：（a）试验开始前，蓄水池内盛满清水，并静置几天以排气。
13.若探究配置射流的涡旋分布以及流场结构，则清水内添加少量聚合物颗粒作为示踪剂，同时启用实时数字粒子图像测速仪系统；若探究配置射流的几何形态，蓄水池内清水不添加聚合物颗粒，同时启用高清相机组合拍摄系统。
14.喷嘴的选择依据为：收缩喷嘴用来配置层流态的均匀无旋射流，无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流。
15.（b）开始试验，打开水泵将蓄水池中的水体泵入常水头水箱，通过流量计控制流量情况。选择配置并开启。以初始射流为湍流态的非均匀旋转流、关注离心不稳定下的涡旋分布以及流场结构工况为例：通过旋转台控制系统转动环境水体旋转台，工作几小时后使得环境水体完全刚化；启动实时数字粒子图像测速仪系统，调节可转动反射镜使得激光切片位于研究区域，并开启可视化图像采集ccd相机；选择无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流，开启电机，旋转管带动蜂窝稳流管和喷嘴转动，旋转方向与同轴的实验水箱和光学匹配箱反向，以塑造离心不稳定的初始配置；调节流量计，自旋射流射入反旋环境流体中，可视化图像采集ccd相机进行连续拍摄，出流管连接实验水箱，并将实验水流导出至外部环境。
16.（c）试验结束后，关闭动力装置，将常水头水箱中水体置回蓄水池，以备下次试验使用。
17.（d）数据处理工作，对实时数字粒子图像测速仪系统图像后处理，获取层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心工况下的涡旋分布以及流场结构；对高清相机组合拍摄系统图像后处理，获取层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心工况下的
几何形态。
18.本发明的有益效果：1、本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低。
19.2、本发明装置可通过开启不同组件和配置，实现层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心等多工况的转换。
20.3、光学匹配箱消除光学畸变、选择非侵入式的实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统和高清相机组合拍摄系统测量可最大程度保证实验数据准确性。
21.4、本发明可以探究螺旋涡旋缠绕、脱落、破碎的发展机理、k-h不稳定性、离心稳定/不稳定之间的关系，明晰复杂工况下（共旋与反旋）射流的流动临界性、稳定性和间歇性。
22.5、本发明装置和耗材可回收重复利用，符合绿色经济要求。
附图说明
23.图1是本发明的装置主视示意图。
24.图中：1. 蓄水池，2. 水泵，3. 常水头水箱，4. 溢流管，5. 流量计，6. 旋转密封阀，7. 电机，8. 旋转管，9. 蜂窝稳流管，10. 可替换喷嘴，11. 实验水箱，12. 光学匹配箱，13. 控制阀，14. 出流管，15. 激光源，16. 可转动反射镜，17. 可视化图像采集ccd相机，18. 侧视拍摄高清相机，19. 俯视拍摄高清相机，20. 固定反射镜，21. 旋转台，22. 支撑台，23. 旋转台控制系统，24.导流管。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明作进一步说明。
26.如图1所示，本发明模型分为水体配置部分、射流生成部分、水体环境场部分、流场结构监测部分以及附件支撑部分。
27.所述的水体配置部分包括蓄水池1、水泵2、常水头水箱3、溢流管4、流量计5；所述的蓄水池内盛有清水（已经使用过滤器过滤掉沉淀物和铁锈），静置数天以排气，对于部分实验组添加少量聚合物颗粒作为示踪剂，使流场可视化；所述的水泵抽取蓄水池内的水体至常水头水箱；所述的溢流管用于排出常水头水箱多余的水体，提供恒定的水头以减少水泵做功造成的水流振荡；所述的流量计记录水体通过的流量情况。
28.所述的射流生成部分包括旋转密封阀6、电机7、旋转管8、蜂窝稳流管9、可替换喷嘴10；所述的旋转密封阀控制水体的单向流入以及防止旋转管内水流外渗；所述的电机为旋转管旋转提供动力来源；所述的旋转管直接连接电机和蜂窝稳流体管，自旋的同时带动蜂窝稳流管同轴转动；所述的蜂窝稳流管使水流稳定均匀地进入可替换喷嘴；所述的可替换喷嘴分为收缩型和无收缩型，收缩喷嘴用来配置层流态的均匀无旋射流，无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流。
29.所述的水体环境场部分包括实验水箱11、光学匹配箱12、控制阀13、出流管14；所述光学匹配箱外包络实验水箱；所述的实验水箱和光学匹配箱皆为透明材质；所述的实验水箱和光学匹配箱内均充满同质清水且与喷嘴组件共轴心，所述光学匹配箱起到消除光学畸变的作用；所述的控制阀控制实验水箱内水流情况；所述的出流管连接实验水箱，并将实
验水流导出至外部环境（水体不重复使用）；所述的出流管设计为多出口，以尽量减少出流扰动对射流涡旋发展的影响。
30.所述的流场结构监测部分包括实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统、高清相机组合拍摄系统。所述的实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统监测包括激光源15、可转动反射镜16、可视化图像采集ccd相机17；所述的激光源采用氩离子激光器，产生激光束并照射于实验水箱上；所述的可转动反射镜置于光学匹配箱附近，通过调节其放置角度来折射激光束；所述的可视化图像采集ccd相机正对实验水箱并连续拍摄获取射流流场；所述的高清相机组合拍摄系统包括两台高清数码相机以及一固定反射镜20；所述的两台高清数码相机用于获取不同配置射流的几何形态，其一高清数码相机18正对实验水箱并连续拍摄获取射流侧视二维形态，另一高清数码相机19置于光学匹配箱底部，并结合所述的固定反射镜（与水平面呈45夹角）连续拍摄射流仰视二维形态；所述的实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统和高清相机组合拍摄系统不必同时使用，根据实验需要进行选取，即所述的实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统针对配置射流的涡旋分布以及流场结构，所述的高清相机组合拍摄系统针对配置射流的几何形态；若蓄水池内清水添加少量聚合物颗粒作为示踪剂，则启用所述的实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统，否则，启用所述的高清相机组合拍摄系统。
31.所述的附件支撑部分包括环境水体旋转台21、旋转台控制系统23、支撑台22、导流管24；所述的环境水体旋转台连接实验水箱与光学匹配箱，自旋同时带动实验水箱与光学匹配箱旋转；所述的旋转台控制系统控制环境水体旋转台自旋速度和方向；所述的支撑台用以支撑水体旋转台和旋转台控制系统；所述的导流管连接上述的蓄水池、常水头水箱和旋转管。
32.本发明提供了监测反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验方法，具体是：（a）试验开始前，蓄水池内盛满清水，并静置几天以排气。若探究配置射流的涡旋分布以及流场结构，则清水内添加少量聚合物颗粒作为示踪剂，同时启用实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统；若探究配置射流的几何形态，蓄水池内清水不添加聚合物颗粒，同时启用高清相机组合拍摄系统。取决于入口速度剖面的差异，射流初始场设为两类，其一是具有轴向和方位剪切层的入口剖面，上述剪切层在接近或与入口半径边缘重合处紧密重叠，不稳定模式多依赖于局部平均涡线，这类射流的不稳定机制是开尔文-亥姆霍兹（k-h）型。其二是射流考虑了轴向剪切层中具有方位涡度峰值的入口速度剖面，由于旋转，轴向流在一定程度上偏离了方位剪切层中最大轴向涡度的位置，并且间歇性同向旋转、同向缠绕的螺旋涡最不稳定，射流涡线主要受离心不稳定性影响。喷嘴的选择依据为收缩喷嘴用来配置层流态的均匀无旋射流，无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流，即安装收缩喷嘴时应该关闭旋转电机，安装无收缩喷嘴时应该开启旋转电机。实验水箱可保持静止、与射流喷嘴同方向旋转（共旋）、与射流喷嘴反方向旋转（反旋），实验水箱若静止则为环境流体非离心工况，实验水箱与射流喷嘴同方向旋转（共旋）可实现准离心稳定工况，实验水箱与射流喷嘴反方向旋转（反旋）则针对非稳定离心工况，应该依据探究内容如螺旋涡旋缠绕、脱落、破碎的发展机理、k-h不稳定性、离心稳定/不稳定之间的关系做出配置选择。
33.（b）开始试验，打开水泵将蓄水池中的水体泵入常水头水箱，常水头水箱减少水泵做功造成的水流振荡，并将多余的水体溢流排回蓄水池中，通过流量计控制流量情况。结合上述组件与相应工况的说明，选择配置并开启。以初始射流为湍流态的非均匀旋转流、关注
离心不稳定下的涡旋分布以及流场结构工况为例说明：通过旋转台控制系统转动环境水体旋转台，工作几小时后使得环境水体完全刚化；启动实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统，调节可转动反射镜使得激光切片位于研究区域，并开启可视化图像采集ccd相机；选择无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流，开启电机，旋转管带动蜂窝稳流管和喷嘴转动，旋转方向与同轴的实验水箱和光学匹配箱反向，以塑造离心不稳定的初始配置；调节流量计，自旋射流射入反旋环境流体中，可视化图像采集ccd相机进行连续拍摄，出流管连接实验水箱，并将实验水流导出至外部环境（水体不重复使用）。
34.（c）试验结束后，关闭上述动力装置（电机和旋转台控制系统），将常水头水箱中水体置回蓄水池，以备下次试验使用。
35.（d）数据处理工作，对实时数字粒子图像测速仪（dpiv）系统图像后处理，获取层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心工况下的涡旋分布以及流场结构；对高清相机组合拍摄系统图像后处理，获取层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心工况下的几何形态。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“竖直”、“底部”、“内”、“侧”、“垂直”、“上”、“下”、“上端”、“下”、“后方”、“高度”、“前”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、
ꢀ“
连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.本发明在进行以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。