用于粒子图像测速的脉冲射流冲击旋转壁面的实验装置的制作方法

本实用新型涉及用于粒子图像测速的脉冲射流冲击旋转壁面的实验装置，主要用于脉冲射流冲击旋转壁面耦合流动的瞬时速度测量。

背景技术：

粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，以下简称PIV）是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。其基本原理是在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。采用光学杨氏条纹法、自相关法或互相关法，逐点处理PIV底片或CCD记录的图像，获得流场速度分布。

射流冲击旋转壁面在航空电子冷却、化学气相沉积、玻璃退火、表面热处理等各种工业应用中具有重要的应用价值。除此之外，旋转机械是生活中最简单且应用广泛的结构，许多系统可近似看作射流冲击旋转壁面（例如射流式自吸泵等）。射流冲击是一种极其有效的强化局部传热或传质的方法，射流冲击的剪切效应和旋转壁面周围产生的轴对称壁射流的相互作用可产生非常复杂和剧烈的流动，能够显著改善传热过程，因此对具有射流冲击的旋转壁面进行研究具有重要的学术和工程应用价值。

目前，现有的射流冲击旋转壁面实验装置具有以下特点：大部分试验装置采用热线热膜流速计（HWFA）和激光多普勒测速仪（LDV）计算粒子的运动速度，实现对流场的无接触测量。然而，这些方法都只是采用单点测量技术，难以实现对流场的全场、瞬态测量。少部分射流冲击旋转壁面PIV实验装置存在一定局限，无法系统地研究不同壁面转速、雷诺数、冲击距离对射流冲击旋转壁面耦合流动的影响。过去射流冲击旋转壁面PIV实验装置仅针对连续射流，没有考虑到引入脉冲特性。Y.minagawa等人的论文“Development of turbulent impinging jet on a rotating disk”（2004）、T.astarita等人的论文“Convective heat transfer on a rotating disk with a centred impinging round jet”（2007）及S.Harmand等人的论文“Review of fluid flow and convective heat transfer within rotating disk cavities with impinging jet”（2013）所运用的实验装置具备上述1，2，3特点；于洋磊等人的论文“射流冲击对旋转圆盘换热特性的影响”（2018）所运用的实验装置具备上述1，3特点；Liu Y H等人的论文“Particle image velocimetry measurement of jet impingement in a cylindrical chamber with a heated rotating disk”（2013）所运用的实验装置具备上述2，3特点。

经检索，目前还没有关于脉冲射流冲击旋转壁面PIV实验装置的专利。

技术实现要素：

为了研究脉冲射流冲击旋转壁面的瞬态流动结构，本实用新型提供了一种用于粒子图像测速的脉冲射流冲击旋转壁面的实验装置，该实用新型可以全面地研究不同雷诺数、冲击距离、壁面转速及脉冲周期对流场中各种流动特征的影响规律。

本实用新型的目的是这样实现的，用于粒子图像测速的脉冲射流冲击旋转壁面的实验装置，其特征是：包括脉冲射流系统、旋转壁面系统和PIV测量系统；

所述脉冲射流系统包括蓄水池、磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发射器、连接软管、圆形铜管，蓄水池依次经磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发射器、连接软管与圆形铜管贯通连接；

所述旋转壁面系统包括变频器、电机、轴、圆盘, 变频器、电机固定于支撑架上，且变频器与电机电连接，所述轴的一端与电机的动力输出轴固定，另一端与圆盘固定；电机通过变频器连接到电源上，并通过轴与圆盘相连，电机动力输出轴的旋转带动轴的旋转，轴的旋转带动圆盘旋转，圆盘保持水平；

所述PIV测量系统包括外方内圆水槽、片光源、激光器、CCD相机、同步仪、计算机，片光源、激光器、同步仪、CCD相机、计算机依次连接；

所述外方内圆水槽与圆盘保持同心，外方内圆水槽包括圆形水槽及方形水槽，圆形水槽粘在方形水槽内部，圆形水槽的高度小于方形水槽的高度，圆形水槽、方形水槽均为透明状，所述方形水槽的上部设有溢水口，溢水口外接有溢水管，溢水管一端与溢水口贯通连接，另一端置于蓄水池上部；方形水槽与圆形水槽之间充满水；

所述圆形铜管与外方内圆水槽相互固定，圆形铜管穿过外方内圆水槽底面，与外方内圆水槽同心，并相互固定，且圆形铜管竖直设置；圆形铜管一端与连接软管贯通，另一端伸于外方内圆水槽的圆形水槽内，所述圆盘置于外方内圆水槽的圆形水槽内，且位于圆形铜管上方；

所述片光源设置于外方内圆水槽外的一侧，CCD相机设置于外方内圆水槽的另一侧；

还设有架子，架子上设有底座，底座可沿架子上下滑动；所述圆形铜管、外方内圆水槽均置于架子上的底座上；所述底座的四角设有底座圆孔，架子上等距分布着大小和位置与底座的四角的底座圆孔相对应的架子圆孔；底座升降后，通过圆柱插销穿过架子上的架子圆孔和底座四角的底座圆孔，使底座固定于架子上，确定圆形铜管出口到圆盘壁面的不同冲击距离。

所述架子上设有滑杆，底座上设有与滑杆相匹配的滑孔，滑孔套于滑杆上，底座沿滑杆上下滑动，带动底座沿架子上下滑动；所述架子圆孔设置于滑杆上。

所述脉冲发射器用于形成不同频率的脉冲射流。

所述外方内圆水槽的圆形水槽、方形水槽均采用有机玻璃制造，且方形水槽与圆形水槽之间充满水，可以有效减少激光折射带来的误差。

所述外方内圆水槽上方形水槽的底部设有排水阀，排水阀的进水口与方形水槽内贯通，排水阀的出水口连接排水管，排水管一端与排水阀的出水口贯通连接，另一端置于蓄水池上部，打开排水阀，排水管与方形水槽贯通，方形水槽内的水可全部依次经排水阀、排水管流入蓄水池；关闭排水阀，水无法经排水阀、排水管流入蓄水池。

用于粒子图像测速的脉冲射流冲击旋转壁面的实验装置进行测速的方法，其特征是：

a、在蓄水池和外方内圆水槽里加满带有示踪粒子的水；

b、启动磁力泵，蓄水池中的水由磁力泵提供动力流经流量计和闸阀，脉冲发生器将连续的射流转换为脉冲射流，途经连接软管，在竖直的圆形铜管中充分发展后射出；

c、圆形铜管的水喷向圆盘，形成整个冲击射流的流场；

d、片光源设置于外方内圆水槽外的一侧，CCD相机设置于外方内圆水槽的另一侧，激光通过片光源从外方内圆水槽一侧射入，射在整个冲击射流的中截面，CCD相机在垂直于中截面的外方内圆水槽的另一侧进行拍摄；

e、CCD相机对准射流中截面后利用示踪粒子在激光区域的曝光作用，记录两道激光粒子曝光时的图像，形成两幅粒子分布图片；

f、通过示踪粒子在两幅图片的位移差与时间差算出射流中截面流场的速度方向和大小；

其中，经圆形铜管的水喷向圆盘时，水被圆盘阻挡落入外方内圆水槽的圆形水槽内，当圆形水槽内的水漫过圆形水槽时，漫过圆形水槽的水从圆形水槽内流入外方内圆水槽的方形水槽，当水在方形水槽内的高度达到溢水口的高度时，水从溢水口流入与溢水口贯通的溢水管，并从溢水管回流至溢水管下部的蓄水池。

通过调节闸阀的开关程度，调节射流雷诺数；

通过调整变频器输出的电压和频率，改变电机转速，从而调节圆盘转速；

通过底座带动圆形铜管和外方内圆水槽的升降，改变圆形铜管出口到圆盘壁面的冲击距离；

通过脉冲发生器形成不同频率的脉冲射流。

步骤a中，在蓄水池和外方内圆水槽的圆形水槽内加满带有示踪粒子的水。

本实用新型结构合理、生产制造容易、使用方便，通过本实用新型，整个装置主要由蓄水池、磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发射器、连接软管、圆形铜管、片光源、激光器、同步仪、计算机、变频器、电机、轴、底座、架子、外方内圆水槽、圆盘、CCD相机组成。射流从圆形铜管射出，冲击在旋转的圆盘壁面上，形成整个流场。

本实用新型重要内容之一，设计了一种脉冲发生器，通过它来控制开启时间及关闭时间，从而形成不同频率的脉冲射流, 为了消除泵自身压力脉动带来的脉冲干扰，本实验采用基本不会产生压力脉动的磁力泵作为动力源。本实用新型重要内容之二，在圆形水槽外套上方形水槽，方形水槽与圆形水槽之间充满水，可以有效的减少激光折射带来的误差，外方内圆水槽均采用有机玻璃制造。本实用新型重要内容之三，放置外方内圆水槽的底座装在架子上自由移动，圆形插销穿过底座和架子上对应的圆孔固定底座，可通过改变底座和架子上对应的圆孔，改变铜管射流出口到圆盘壁面的冲击距离。

本实用新型的有益结果是：本实验装置不仅操作方便，而且可以通过PIV实验全面地研究雷诺数、冲击距离、壁面转速及脉冲周期对流场中各种流动特征的影响规律。

附图说明

图1是脉冲射流冲击旋转壁面实验装置主视图。

图2是脉冲射流冲击旋转壁面实验装置俯视图。

图3是脉冲射流冲击旋转壁面实验装置局部图。

图4是图3中A处结构示意图。

图中：1蓄水池、2磁力泵、3流量计、4闸阀、5脉冲发射器、6连接软管、7圆形铜管、8片光源、9激光器、10同步仪、11计算机、12变频器、13电机、14轴、15底座、16架子、17外方内圆水槽、18圆盘、19 CCD相机、20溢水口、21排水管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实例中的附图，对本实用新型实例中的技术方案进行详细描述。

用于粒子图像测速的脉冲射流冲击旋转壁面的实验装置，包括脉冲射流系统、旋转壁面系统和PIV测量系统。

脉冲射流系统包括蓄水池1、磁力泵2、流量计3、闸阀4、脉冲发射器5、连接软管6、圆形铜管7，蓄水池1依次经磁力泵2、流量计3、闸阀4、脉冲发射器5、连接软管6与圆形铜管7贯通连接。

旋转壁面系统包括变频器12、电机13、轴14、圆盘18, 变频器12、电机13固定于支撑架上，且变频器12与电机13电连接，轴14的一端与电机13的动力输出轴固定，另一端与圆盘18固定；电机13通过变频器12连接到电源上，并通过轴14与圆盘18相连，电机13动力输出轴的旋转带动轴14的旋转，轴14的旋转带动圆盘18旋转，圆盘18保持水平。

PIV测量系统包括外方内圆水槽17、片光源8、激光器9、CCD相机19、同步仪10、计算机11，片光源8、激光器9、同步仪10、CCD相机19、计算机11依次连接。

外方内圆水槽17与圆盘18保持同心，外方内圆水槽17包括圆形水槽及方形水槽，圆形水槽粘在方形水槽内部，圆形水槽的高度小于方形水槽的高度，圆形水槽、方形水槽均为透明状，方形水槽的上部设有溢水口20，溢水口20外接有溢水管，溢水管一端与溢水口20贯通连接，另一端置于蓄水池1上部；方形水槽与圆形水槽之间充满水。

所述圆形铜管7与外方内圆水槽17相互固定，圆形铜管7穿过外方内圆水槽17底面，与外方内圆水槽17同心，并相互固定，且圆形铜管7竖直设置；圆形铜管7一端与连接软管6贯通，另一端伸于外方内圆水槽17的圆形水槽内，所述圆盘18置于外方内圆水槽17的圆形水槽内，且位于圆形铜管7上方。

片光源8设置于外方内圆水槽17外的一侧，CCD相机19设置于外方内圆水槽17的另一侧。

还设置有架子16，在架子16上设置底座15，底座15可沿架子16上下滑动；圆形铜管7、外方内圆水槽17均置于架子16上的底座15上；在底座15的四角设有底座圆孔，架子16上等距分布着大小和位置与底座15的四角的底座圆孔相对应的架子圆孔；底座15升降后，通过圆柱插销穿过架子16上的架子圆孔和底座15四角的底座圆孔，使底座15固定于架子16上，确定圆形铜管7出口到圆盘18壁面的不同冲击距离。

进一步的，架子16上设有滑杆，底座15上设有与滑杆相匹配的滑孔，滑孔套于滑杆上，底座15沿滑杆上下滑动，带动底座15沿架子16上下滑动；架子圆孔设置于滑杆上。

所述脉冲发射器5用于形成不同频率的脉冲射流。

所述外方内圆水槽17的圆形水槽、方形水槽均采用有机玻璃制造，且方形水槽与圆形水槽之间充满水，可以有效减少激光折射带来的误差。

外方内圆水槽上方形水槽的底部设有排水阀，排水阀的进水口与方形水槽内贯通，排水阀的出水口连接排水管21，排水管21一端与排水阀的出水口贯通连接，另一端置于蓄水池1上部，打开排水阀，排水管21与方形水槽贯通，方形水槽内的水可全部依次经排水阀、排水管21流入蓄水池1；关闭排水阀，水无法经排水阀、排水管21流入蓄水池1。

用于粒子图像测速的脉冲射流冲击旋转壁面的实验装置进行测速的方法为：

a、在蓄水池1和外方内圆水槽17里加满带有示踪粒子的水；

b、启动磁力泵2，蓄水池1中的水由磁力泵2提供动力流经流量计3和闸阀4，脉冲发生器5将连续的射流转换为脉冲射流，途经连接软管6，在竖直的圆形铜管7中充分发展后射出；

c、圆形铜管7的水喷向圆盘18，形成整个冲击射流的流场；

d、片光源8设置于外方内圆水槽17外的一侧，CCD相机19设置于外方内圆水槽17的另一侧，激光通过片光源8从外方内圆水槽17一侧射入，射在整个冲击射流的中截面，CCD相机19在垂直于中截面的外方内圆水槽17的另一侧进行拍摄；

e、CCD相机19对准射流中截面后利用示踪粒子在激光区域的曝光作用，记录两道激光粒子曝光时的图像，形成两幅粒子分布图片；

f、通过示踪粒子在两幅图片的位移差与时间差算出射流中截面流场的速度方向和大小。

其中，经圆形铜管7的水喷向圆盘18时，水被圆盘18阻挡落入外方内圆水槽17的圆形水槽内，当圆形水槽内的水漫过圆形水槽时，漫过圆形水槽的水从圆形水槽内流入外方内圆水槽17的方形水槽，当水在方形水槽内的高度达到溢水口20的高度时，水从溢水口20流入与溢水口20贯通的溢水管，并从溢水管回流至溢水管下部的蓄水池1。

通过调节闸阀4的开关程度，调节射流雷诺数；

通过调整变频器12输出的电压和频率，改变电机13转速，从而调节圆盘18转速；

通过底座15带动圆形铜管7和外方内圆水槽17的升降，改变圆形铜管7出口到圆盘18壁面的冲击距离；

通过脉冲发生器5形成不同频率的脉冲射流。

步骤a中，在蓄水池1和外方内圆水槽17的圆形水槽内加满带有示踪粒子的水。

在图1中，本实验装置主要由脉冲射流系统、旋转壁面系统和PIV测量系统组成。脉冲射流系统包括蓄水池1、磁力泵2、流量计3、闸阀4、脉冲发射器5、连接软管6、圆形铜管7，旋转壁面系统包括变频器12、电机13、轴14、圆盘18，PIV测速系统包括外方内圆水槽17、片光源8、激光器9、CCD相机19、同步仪10、计算机11。除了三大系统外，本实验装置还包括一个带有可升降底座15的架子16。

在脉冲射流系统中，蓄水池1中的液体由磁力泵2提供动力流经流量计3和闸阀4，脉冲发生器5将连续射流转换为脉冲射流，途经连接软管6，在竖直的圆形铜管7中充分发展后射出。圆形铜管7穿过外方内圆水槽17底面，与外方内圆水槽17同心，并相互固定。

在旋转壁面系统中，电机13通过变频器12连接到电源上，并通过轴14与圆盘18相连。圆盘18保持水平且与外方内圆水槽17保持同心。

在PIV测速系统中，激光通过片光源8从外方内圆水槽17一侧射入，射在整个冲击射流的中截面，CCD相机19在垂直于中截面的外方内圆水槽17的另一侧进行拍摄（如图2所示）。圆形水槽粘在方形水槽内部，形成一个外方内圆水槽17，其整体由透明有机玻璃制造。

在图3中，圆形铜管7与外方内圆水槽17相互固定，放置于可在架子16上自由升降的底座15上。架子16上等距分布着大小和位置与底座15四角的底座圆孔相对应的架子圆孔；底座升降后，通过圆柱插销穿过架子上和底座四角的圆孔（架子圆孔、底座圆孔），固定底座的位置，确定圆形铜管7出口到圆盘18壁面的不同冲击距离。

本实用新型涉及的用于粒子图像测速的脉冲射流冲击旋转壁面的实验装置的使用方法，包括以下步骤：

a．各实验装置按上述安装方式安装到指定位置。

b．在蓄水池和外方内圆水槽里加满带有示踪粒子的水，运转磁力泵，排尽整个系统中的空气。

c．待整个系统运行稳定后，通过实验装置中各设备的调节达到所需的测试工况。

d．开启PIV设备，调整各部件的位置和CCD相机视角，操作计算机进行拍摄。

本实用新型的可变参量：

1.雷诺数：通过调节阀门的开关程度，调节射流雷诺数；

2.壁面转速：通过调整变频器输出的电压和频率，改变电机转速；

3.冲击距离：通过底座带动圆形铜管和外方内圆水槽的升降，改变圆形铜管出口到圆盘壁面的冲击距离；

4.脉冲周期：通过脉冲发生器来控制阻断器的开启及关闭时间，从而形成不同频率的脉冲射流。

上述实施方式是对本实用新型的说明，不是对本实用新型的限定，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。