专利名称：流场可视化方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体流场观测与分析技术，尤其是针对一种粒子的运行轨迹成像装置与可视化方法。
背景技术：
多年来，流场的可视化研究一直是人们比较感兴趣的课题。随着光学、电子影像技术和计算机技术的发展，人们开始利用电子影像和计算机技术研究分析流体的流动过程，包括流场显示、速度和密度分布等。目前和本发明功能相近且应用广泛的流动显示分析技术是粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，简称PIV)。粒子图像测速技术的基本原理是，把与流体密度相仿的微小示踪粒子均匀地掺杂在待测流场中，使得示踪粒子的变化能够逼真地反映流场的变化，然后用激光(片状)照射到流场中或者说照射到示踪粒子上，由于粒子的反射，流场的变化就能通过这些反射的激光反映出来。这时再用高速特种CCD相机记录下片状激光上流场变化的切面，也就是记录下流场的信息，这些高速特种CCD相机拍摄的信息通过数据线传输到计算机中，计算机中安装有专用的计算软件，这个软件能够控制系统工作，并且给出流场画面和计算结果，如流场的速度分布图，粒子密度等等。PIV技术系统的基本构成，包括激光器、高速特种CCD照相机、计算机、分析计算软件。PIV系统价格在几十万到几百万不等。粒子图像测速技术(PIV)主要的缺点是1、价格昂贵，目前最便宜的国产PIV系统价格在50万元以上，进口的价格更高，都在百万元以上；2、PIV的流场显示和速度计算是基于加入显示粒子的互相关性原理，通过如Fourier积分变换等复杂计算得出粒子的流动轨迹和速度，这种计算由于沉余误差，影响到了结果的准确性。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种省去了PIV系统的高速CCD和激光器及粒子相关性分析计算软件，设备简单，可视化效果好的一种流场可视化装置。
本发明的另一目的是针对上述现有技术的不足，提供一种流场可视化方法。
本发明的目的是通过以下方式实现的流场可视化装置是在平台7上装有照相机1、光源2、紧靠光源2装有遮光板3，遮光板3与聚光镜4与之间有一定的距离，平台7上放置盛粒子器皿5。
流场可视化方法，包括以下顺序和步骤a、造显示粒子，按质量百分比取206聚苯乙烯80-92％、尼龙或原子灰5-10％、荧光粉或红外线吸收剂3-10％混合均匀；b、加热210-230℃熔合，熔合后经造粒机造粒，粒子直径0.8-1.2mm，密度1.08g/cm3。
c、制备流体介质，流体介质是水和食盐，其密度为1.08g/cm3。
d、将显示粒子和流体介质置于盛粒子器皿5中。
e、光源2发出红外线或紫外线光通过遮光板3上的透光槽8和聚光镜4所形成的光束6照射盛粒子器皿5，粒子在流体介质中显示其运动轨迹，通过照相机1记录其运动轨迹。
本发明的目的还可以通过以下方式实现光源2、聚光镜4、光束6、遮光板3、透光槽8和盛粒子器皿5在同一直线上，并与照相机1垂直；光源2为红外线光源或紫外线光源；遮光板3上设有长80mm，宽20mm透光槽8；遮光板3与聚光镜4之间的距离为20-50mm；盛粒子器皿5可以是玻璃烧杯，也可以是透明度较好的其他材料制成的器皿。
有益效果本发明应用吸收不可见光的粒子成像，使用常规相机或数码相机和红外或紫外线光源，直接记录粒子移动轨迹；省去了PIV系统的高速CCD和激光器及粒子相关性分析计算软件，大幅度降低了系统成本。本发明的成本大约是目前通用PIV价格的1/40到1/10。
图1为流场可视化装置结构2为流场可视化装置原理3为图1遮光板3的结构图1照相机，2光源，3遮光板，4聚光镜，5盛粒子器皿，6光束，7平台，8透光槽。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例作进一步详细描述实施例1可视化系统由1照相机、2光源、3遮光板、8透光槽、4聚光镜、5盛粒子器皿和被观测流体及显示粒子及安装平台7组成，其安装结构如图1所示。光源2、聚光镜4及照相机1可以在平台7上移动，以便得到最佳的照明和成像效果。显示粒子由80g206聚苯乙烯、10g尼龙和10g荧光粉混合均匀，加热210℃充分熔合，熔合后经造粒机造粒，粒子直径0.8mm，密度1.05g/cm3。流体介质为水，另加食用盐调节密度为1.05g/cm3。流体用直径120mm高度160mm玻璃烧杯盛装。紫外线光源2前面加遮光板3，遮光板3上有长80mm，宽2mm透光槽8。遮光板3前20mm处加聚光透镜4(非标准产品，可以根据需要委托加工)，聚光透镜4距盛粒子器皿5 100mm。照相机1镜头前端面距盛粒子器皿5 100mm。如本例系统用于观测人工搅拌后盛粒子器皿5内流场，搅拌后粒子流动速度大约5mm/s，可以选择快门速度1s，光圈1/32，应在暗室拍摄，白天拍摄应加滤光镜。
实施例2本实施例的可视化系统由1照相机、2光源、3遮光板、8透光槽、4聚光镜、5盛粒子器皿和被观测流体及显示粒子及安装平台7组成，其安装结构如图1所示。光源2、聚光镜4及照相机1可以在平台7上移动，以便得到最佳的照明和成像效果。显示粒子由92g206聚苯乙烯、5g原子灰、3g红外线吸收剂混合均匀，加热220℃充分熔合，熔合后经造粒机造粒，粒子直径1.0mm，密度1.08g/cm3。流体介质为水，另加食用盐调节密度为1.08g/cm3。流体用直径120mm高度160mm盛粒子器皿5盛装。红外线光源2前面加遮光板3，遮光板3上有长80mm，宽2mm透光槽8。遮光板3前50mm处加聚光透镜4(非标准产品，可以根据需要委托加工)，聚光透镜4距盛粒子器皿5 80mm。照相机1镜头前端面距盛粒子器皿5 200mm。如本例系统用于观测人工搅拌后烧杯内流场，搅拌后粒子流动速度大约5mm/s，可以选择快门速度1s，光圈1/32，白天拍摄应加滤光镜。
实施例3本实施例的可视化系统由1照相机、2光源、3遮光板、8透光槽、4聚光镜、5盛粒子器皿和被观测流体及显示粒子及安装平台7组成，其安装结构如图1所示。光源2、聚光镜4及照相机1可以在平台7上移动，以便得到最佳的照明和成像效果。显示粒子由85g206聚苯乙烯、7g原子灰、5g红外线吸收剂混合均匀，加热230℃充分熔合，熔合后经造粒机造粒，粒子直径1.2mm，密度1.08g/cm3。流体介质为水，另加食用盐调节密度为1.08g/cm3。流体用直径120mm高度160mm盛粒子器皿5盛装。紫外线光源2前面加遮光板3，遮光板3上有长80mm，宽2mm透光槽8。遮光板3前35mm处加聚光透镜4(非标准产品，可以根据需要委托加工)，聚光透镜4距盛粒子器皿5 50mm。照相机1镜头前端面距盛粒子器皿5 300mm。如本例系统用于观测人工搅拌后烧杯内流场，搅拌后粒子流动速度大约5mm/s，可以选择快门速度1s，光圈1/32，白天拍摄应加滤光镜。
权利要求
1.一种流场可视化装置，其特征在于，在平台7上装有照相机1、光源2、紧靠光源2装有遮光板3，遮光板3与聚光镜4与之间有一定的距离，平台7上放置盛粒子器皿5。
2.按照权利要求1所述的流场可视化方法，其特征在于，光源2、遮光板3、透光槽8、聚光镜4、光束6和盛粒子器皿5在同一直线上，并与照相机1垂直。
3.按照权利要求2所述的一种流场可视化装置，其特征在于，光源2为红外线光源或紫外线光源。
4.按照权利要求2所述的流场可视化装置，其特征在于，遮光板3上设有长80mm，，宽20mm透光槽8。
5.按照权利要求1或2所述的流场可视化装置，其特征在于，遮光板3与聚光镜4之间的距离为20-50mm。
6.按照权利要求1所述的流场可视化装置，其特征在于，盛粒子器皿5可以是玻璃烧杯，也可以是透明度较好的其他材料制成的器皿。
7.按照权利要求1所述的流场可视化方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤a、造显示粒子，按质量百分比取206聚苯乙烯80-92％、尼龙或原子灰5-10％、荧光粉或红外线吸收剂3-10％混合均匀；b、加热210-230℃熔合，熔合后经造粒机造粒，粒子直径0.8-1.2mm，密度1.08g/cm3；c、制备流体介质，流体介质是水和食用盐，其密度为1.08g/cm3；d、将显示粒子和流体介质置于盛粒子器皿5中；e、光源2发出红外线或紫外线光通过遮光板3上的透光槽8和聚光镜4所形成的光束6照射盛粒子器皿5，粒子在流体介质中显示其运动轨迹，通过照相机1记录其运动轨迹。
全文摘要
本发明涉及流体流场观测与分析技术，尤其是针对一种粒子的运行轨迹成像装置与可视化方法。流场可视化装置是在平台上装有照相机、光源、遮光板，聚光镜和盛粒子器皿。光源发出红外线或紫外线光，通过遮光板和聚光镜所形成的光束照射盛粒子器皿，粒子在流体介质中显示其运动轨迹，通过照相机记录其运动轨迹。本发明应用吸收不可见光(红外或紫外)的粒子成像，使用常规相机或数码相机和红外或紫外线光源，直接记录粒子移动轨迹；省去了PIV系统的高速CCD和激光器及粒子相关性分析计算软件，大幅度降低了系统成本。本发明的成本大约是目前通用PIV价格的1/40到1/10。
文档编号G01T5/00GK101078773SQ200710055770
公开日2007年11月28日 申请日期2007年6月18日 优先权日2007年6月18日
发明者刘庆平, 任露泉, 崔占荣 申请人:吉林大学