测量对流条件下枝晶间流体流速的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流体流场的测量方法和装置，特别是涉及一种枝晶间流体流速测量方法和装置，应用于有机物枝晶生长过程的模拟技术领域。
【背景技术】
[0002]流体流动对合金凝固微观组织的影响是凝固过程中广泛存在的现象，而枝晶是合金凝固过程中常见的组织形貌，在枝晶形成过程中考虑流体流动的影响是凝固科学一个重要的研究课题。通过研究不同对流条件下有机物枝晶的生长过程及状态，是人们研究枝晶生长过程的一种常用手段。对流作用下枝晶的生长行为的数值模拟过程已经取得了很多成果。柱状晶间流体流速对柱状晶向等轴晶转变过程的影响也是非常重要的问题，但目前枝晶生长过程中枝晶间溶液流速难以测量和研究方法和装置还不够理想。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术问题，克服已有技术存在的不足，本发明提供一种测量枝晶间流体流速的方法和装置，在枝晶生长过程中施加水平对流，基于PIV(particle ImageVelocime try)技术，既能克服流场单点测量局限，又能进行全流场瞬时、非接触测量的测试技术。本发明通过拍摄流体中的示踪粒子在不同时刻的位置，经过换算得到流体流速。既不影响流场，并能有效记录与测量有机物枝晶间溶液的流速。通过测定有机物枝晶间流体流速，可以研究不同对流条件对有机物枝晶形核与长大过程的影响。
[0004]为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案:
一种测量对流条件下枝晶间流体流速的方法，包括如下步骤:
a.在长方体透明容器内注入含有示踪粒子的饱和有机溶液，使透明容器的一侧壁形成冷却面，使有机物枝晶在过冷却面上析出并生长，当有机物柱状晶区枝晶平均长度不小于8_时，开始驱动所述长方体透明容器并带动饱和有机溶液进行运动，使有机溶液形成设定的周期性变化的流体流场。利用片光源激光器，在长方体透明容器外部设置垂直于过冷壁面发射一片激光面。有机溶液流体中的示踪粒子显示流体的流动踪迹。利用高速相机按照设定的时间间隔记录下流体中的粒子不同时刻的不同位置的图像。高速照相机的拍摄帧率不低于25帧；作为优选的技术方案，透明容器竖直安装，并驱动透明容器水平旋转，转动速度小于10圈/分，在有机物枝晶生长过程中，向有机物流体施加水平对流，长方体透明容器的冷却面采用液氮作为冷却介质，并采用循环冷却方式进行冷却，冷却端降温速度为5-50°C/s ;驱动长方体透明容器水平旋转优选采用全周期360°旋转方式;或者驱动透明容器水平旋转优选采用往复式旋转方式，往复角度范围为±5°?±90°，转速范围为0.5-10圈/分，往复式旋转方式根据在水平圆盘上的光电信号来确定旋转角度;作为优选的技术方案，长方体透明容器设置在一个水平圆盘上设定的偏心位置处，偏心距离范围最大为200mm;作为优选的技术方案，长方体透明容器的对称中心线与水平圆盘的轴线之间保持平衡，之间的距离可调，范围为50?200mm;示踪粒子密度优选不小于1.6g/cm3，示踪粒子平均粒径优选不小于13um;
b.再通过分析在一定时间间隔内示踪粒子的位移，计算出有机物枝晶间有机流体在相应时间内的流速;作为优选的技术方案，根据相邻时刻采集的两张照片上示踪粒子的路程差与时间间隔的比值，通过计算得到有机流体内每一点的流速，相机与透明容器之间的距离和相对位置可调。
[0005]—种测量对流条件下枝晶间流体流速的装置，包括长方体透明容器，向长方体透明容器注入含有示踪粒子的饱和有机溶液，长方体透明容器的一侧壁面由铜壁制成，设置液氮冷却装置，铜壁采用液氮作为冷却介质，利用控温及温度采集系统采用循环冷却方式对铜壁进行冷却控制，使有机物在铜壁上析出并长出枝晶，将长方体透明容器垂直安装在水平设置的水平圆台上设定的偏心位置处，偏心距离范围最大为200mm，且偏心位置可调，设置数控变频电机，驱动水平圆台能进行周期性360°水平旋转或往复式水平旋转，通过调整水平圆台的转速及长方体透明容器在水平圆台上的位置，模拟不同转速下流体流场，利用激光片光源发射器向长方体透明容器内部发射一片激光面，使激光面与铜壁垂直，将激光片光源发射器安装在导轨上，使激光片光源发射器沿着导轨进行平移，从而使长方体透明容器内部的激光面按照设定的时间间隔和设定的移动距离进行平移，以激光面作为观测面，设置高速照相机对激光面进行拍摄，在示踪粒子的反射作用下，利用高速相机记录下粒子不同时刻的不同位置的图像，然后将图像信息输送到信息分析系统中，通过分析在设定时间间隔内示踪粒子的位移，计算出在长方体透明容器内的有机物枝晶间流体在不同时间内的流速。
[0006]作为本发明的一种优选技术方案，导轨倾斜固定安装在水平圆台上，激光片光源发射器沿着导轨进行平移，实现升降运动，在长方体透明容器内形成水平的激光面，高速照相机设置在长方体透明容器的上方，高速照相机的镜头轴线垂直激光面。
[0007]作为本发明的另一种优选技术方案，导轨垂直固定安装在水平圆台上，激光片光源发射器沿着导轨进行升降运动，在长方体透明容器内形成水平的激光面，高速照相机设置在长方体透明容器的上方，高速照相机的镜头轴线垂直激光面。
[0008]作为本发明的还有一种优选技术方案，导轨水平固定安装在水平圆台上，激光片光源发射器沿着导轨进行水平移动，在长方体透明容器内形成竖直的激光面，高速照相机的镜头轴线垂直激光面，高速照相机也固定安装在水平圆台上。
[0009]作为上述技术方案优选的技术方案，铜壁外壁上附着有水冷铜管，管内通有液氮，液氮的流量通过流量阀调节大小，控制水冷铜管及铜壁的温度。
[0010]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明在枝晶生长过程中施加水平对流，能模拟不同转速下流体流场，不同旋转速度和偏心位置条件，长方体透明容器中的流体获得不同的流速，通过分析示踪粒子的照片可以得到不同时刻枝晶间流体的流速；
2.本发明装置的高速照相机的安放位置可以在长方体透明容器顶部或者侧面，从不同方向观察长方体透明容器内流体流动状态；
3.本发明利用水平旋转引起的自然对流影响有机物枝晶的析出过程，并测量枝晶长大过程中枝晶间液体流速的大小，本发明为研究不同自然对流状态对枝晶生长过程的影响提供了一种新的研究手段。
【附图说明】
[0011]图1是本发明实施例一测量对流条件下枝晶间流体流速的装置的结构示意图。
[0012]图2是图1中A方向的视图。
[0013]图3是本发明实施例一的长方体透明容器结构示意图。
[0014]图4是本发明实施例二测量对流条件下枝晶间流体流速的装置的结构示意图。
[0015]图5是沿着图4的B-B线的剖视图。
[0016]图6是本发明实施例三测量对流条件下枝晶间流体流速的装置的结构示意图。
[0017]图7是沿着图6的C-C线的剖视图。
【具体实施方式】
[0018]本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中，参见图1?3，一种测量对流条件下枝晶间流体流速的装置，包括长方体透明容器1，长方体透明容器1采用有机玻璃柜，向长方体透明容器1注入含有示踪粒子的饱和有机溶液，长方体透明容器1的一侧竖直侧面由铜壁2制成，设置液氮冷却装置7，铜壁2采用液氮作为冷却介质，利用控温及温度采集系统采用循环冷却方式对铜壁2进行冷却控制，使有机物枝晶在铜壁2上析出并生长，将长方体透明容器1垂直安装在水平设置的水平圆台3上设定的偏心位置处，偏心距离范围最大为200mm，且偏心位置可调，设置数控变频电机8，驱动水平圆台3能进行周期性360°水平旋转，通过调整水平圆台3的转速及长方体透明容器1在水平圆台3上的位置，模拟相应转速下流体流场，利用激光片光源发射器4向长方体透明容器1内部发射一片激光面，使激光面与铜壁2垂直，将激光片光源发射器4安装在导轨6上，使激光片光源发射器4沿着导轨6进行平移，从而使长方体透明容器1内部的激光面按照设定的时间间隔和设定的移动距离进行平移，以激光面作为观测面，设置高速照相机5对激光面进行拍摄，在示踪粒子的反射作用下，利用高速相机5记录下粒子不同时刻的不同位置的图像，然后将图像信息输送到信息分析系统中，通过分析在设定时间间隔内示踪粒子的位移，计算出在长方体透明容器1内的有机物枝晶间流体在不同时间内的流速。
[0019]在本实施例中，参见图1和图2，导轨6倾斜固定安装在水平圆台3上，激光片光源发射器4沿着导轨6进行平移，实现升降运动，在长方体透明容器1内形成水平的激光面，高速照相机5设置在长方体透明容器1的上方，高速照相机5的镜头轴线垂直激光面。
[0020]在本实施例中，参见图1和图3，铜壁2外壁上附着有水冷铜管，管内通有液氮，液氮的流量通过流量阀调节大小，控制水冷铜管及铜壁2的温度。
[0021]本实施例模拟有机物析出过程中对流影响的实验装置，主要包括液氮冷却系统，控温及温度采集系统，水平旋转系统及高速照相机拍摄系统等四部分。该设备具体实施方法如下:
1.将饱和有机物溶液倒入长方体透明容器1中，长方体透明容器1的内腔尺寸为长150mm，宽100mm，高220mm。一次倒入2.5升饱和有机物溶液，高约170mm，同时在溶液中添加适量的示踪粒子。长方体透明容器1的一个铜壁2侧面由红铜制成。铜壁2外壁附着有水冷铜管，管内通有液氮。液氮的流量通过流量阀调节大小，控制水冷铜管及铜壁2的温度。
[0022]2.打开液氮阀门，调节液氮流量，使有机玻璃柜中的饱和有机物在铜壁2上附着析出，逐渐形成柱状枝晶区。采用激光片光源发射器4从侧面射入片层激光，在长方体透明容器1中形成激光面，照射区域的示踪粒子跟随所在区域的流体流动，同时反射激光。用高速照相机5记录示踪粒子的反