一种可视化流场与温场耦合测量实验系统的制作方法

本发明属于流体力学实验领域，具体涉及一种可视化流场与温场耦合测量实验系统。

背景技术：

随着能源需求的日益增大，核能的开发与应用越来越受重视。在核电系统中，核主泵作为整个系统的核心部件，负责驱动回路冷却剂循环导出堆芯热量，其运行的性能的好坏直接决定了整个核电系统的安全性与经济性。因此核主泵的优化具有重要意义，然而主泵运行性能在很大程度上取决于其内部工质的流动情况，因此主泵内部流场特性的准确测量对于改进泵的运行效率、工作寿命以及运行安全性，提高核电系统的经济性具有极其重大的意义。作为一种结构复杂的机械设备，主泵内部流体流动过程十分复杂，是一种复杂的复合运动，具有高频脉动的特点。因此其内部流场信息的准确获取十分困难。传统的测量手段通常是在流场内部布置传感元件(方向探针、压力传感元件等)以采集相应的流场信息，但是采用这种测量方法不仅仅存在测量延迟、传感元件布置困难、难以实现全场测量等缺点，测量过程中还会对流场流动产生干扰，严重影响到实验测量的准确性。除了传统的实验手段，数值计算也是一种广泛应用的分析手段，具有方便、快捷、成本低等优点，但是其结果需要准确的实验数据验证，因此有必要设计一种实验测量系统既克服数值模拟结果准确性的不足，又能够避免传统测量方法对流场扰动的现状。

技术实现要素：

本发明提供的是可用于复杂流场内部，实现流场内部多物理参数的耦合同步测量的一种可视化流场与温场耦合测量实验系统。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种可视化流场与温场耦合测量实验系统，包括回路系统以及光路系统，所述的回路系统包括温度标定回路和循环回路，所述的循环回路包括循环水箱和染色剂水箱，循环水箱中添有示踪粒子，染色剂水箱中添有荧光染色剂，循环水箱底部出水口通过管路依次与总阀、循环泵、主阀，流量计和实验本体的进水口相连，实验本体出水口通过管路伸入循环水箱中，实验本体的进水口和出水口管路上均设有温度计，染色剂水箱的出水口通过管路依次与蠕动泵和实验本体进水口连接；所述的温度标定回路包括标定水箱，标定水箱中添有荧光染色剂，标定水箱的出水口通过管路与止回阀连接在循环回路的总阀与循环泵之间，标定水箱的入水口通过管路与标定本体的的出水口连接，标定本体的入水口通过管路与止回阀连接在循环回路的循环泵与主阀之间，标定本体的进水口和出水口管路上均设有温度计；所述的光路系统包括高速摄像机、测速仪和激光发生器；所述的激光发生器布置在实验本体的两侧；所述的测速仪与实验本体相连；所述的高速摄像机设置在实验本体外部并与同步器相连，高速摄像机与实验本体之间设置有分光镜和滤光片。

本发明还可以包括：

所述的标定水箱中添加的荧光染色剂为fl27；所述的循环水箱中添加的示踪粒子为piv示踪粒子；所述的染色剂水箱中添加的荧光染色剂为rhb；所述的光路系统中设有3台高速摄像机，其中一台高速摄像机配备527nm窄通滤光片，一台高速摄像机配备532nm窄通滤光片，一台高速摄像机配备578nm窄通滤光片。

所述的回路系统包括冷却回路和旁通回路，所述的冷却回路包括冷却水箱、循环泵和换热器，换热器分别设置在循环水箱和标定水箱中，冷却水箱出水口通过管路依次与循环泵、换热器和冷却水箱进水口相连；所述的循环水箱中设有加热器；所述的旁通回路包括旁通阀，旁通阀通过管路一端连接在循环水箱上，另一端通过管路连接在循环回路的主阀与循环泵之间。

本发明的有益效果在于：

1.本发明结合粒子图像测速技术(piv)技术和激光诱导荧光(lif)技术，在不干扰流场的情况下分别对流场的温度分布、速度分布、流动工质的运动轨迹及运动过程进行实时捕获。

2.本发明采用可视化测量的方法，不需要在流场内部布置相应的传感器，测量过程不会对流场产生扰动，可以同时实现温场-流场多参数物理量的耦合测量；

3.本发明的实验回路采用模块化设计，子回路之间相互独立，互不干扰，既提高了耦合测量实验系统的可靠性与准确性，又满足了温度标定、工质冷却以及耦合测量的实验要求；

4.本发明采用双激光进行互补式打光，保证实验中光强需求，同时弥补了沿程损失带来光强不均的缺陷，有效保证了实验测量精度；

5.本发明采用光学元件进行光波的分波处理，并利用同步器控制多台相机的同步触发，实现了流场内部多参数信息的同步获取；

6.本发明系统设计简单巧妙，价格低廉，易加工，适用范围广，可为研究泵内流场的流动特性以及改进泵的结构设计提供指导。

附图说明

图1是一种可视化流场与温场耦合测量实验系统的回路系统示意图。

图2是一种可视化流场与温场耦合测量实验系统的光路系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种可视化流场与温场耦合测量实验系统，包括回路系统以及光路系统，结合图1，是本发明的回路系统；

所述的回路系统包括温度标定回路和循环回路，所述的循环回路包括循环水箱1和染色剂水箱13，循环水箱中添有示踪粒子，染色剂水箱中添有荧光染色剂，循环水箱底部出水口通过管路依次与总阀4、循环泵5、主阀8，流量计9和实验本体12的进水口相连，实验本体出水口通过管路伸入循环水箱中，实验本体的进水口和出水口管路上均设有温度计10，染色剂水箱的出水口通过管路依次与蠕动泵11和实验本体进水口连接；所述的温度标定回路包括标定水箱14，标定水箱中添有荧光染色剂，标定水箱的出水口通过管路与止回阀6连接在循环回路的总阀4与循环泵5之间，标定水箱的入水口通过管路与标定本体15的的出水口连接，标定本体的入水口通过管路与止回阀6连接在循环回路的循环泵5与主阀8之间，标定本体的进水口和出水口管路上均设有温度计；

所述的回路系统还包括冷却回路和旁通回路，所述的冷却回路包括冷却水箱16、循环泵5和换热器2，换热器分别设置在循环水箱1和标定水箱14中，冷却水箱出水口通过管路依次与循环泵、换热器和冷却水箱进水口相连；所述的循环水箱1中设有加热器3；所述的旁通回路包括旁通阀7，旁通阀通过管路一端连接在循环水箱上，另一端通过管路连接在循环回路的主阀8与循环泵5之间。

结合图2，是本发明的光路系统；所述的光路系统包括高速摄像机21、测速仪17和激光发生器18；所述的激光发生器布置在实验本体的两侧；所述的测速仪与实验本体12相连；所述的高速摄像机设置在实验本体外部并与同步器24相连，同步器由计算机25控制。高速摄像机与实验本体之间设置有分光镜19和滤光片。

所述的标定水箱中添加的荧光染色剂为fl27；所述的循环水箱中添加的示踪粒子为piv示踪粒子；所述的染色剂水箱中添加的荧光染色剂为rhb；所述的光路系统中设有3台高速摄像机，其中一台高速摄像机配备527nm窄通滤光片20，一台高速摄像机配备532nm窄通滤光片22，一台高速摄像机配备578nm窄通滤光片23。

实验开始之前，先将piv示踪粒子均匀散布在循环水箱中，用以温度测定的荧光染色剂fl27以一定浓度溶于循环工质中，随后对荧光染色剂fl27进行温度标定。关闭实验系统的循环回路，开启温度标定回路(关闭总阀4、旁通阀7以及主阀8，打开止回阀6)，标定出实验温度范围内荧光染色剂温度-光强曲线。标定结束后，关闭标定回路，打开旁通回路(打开总阀4、旁通阀7，关闭止回阀6以及主阀8)，用以稳定管路流量以及排除管路中的空气。此后开启循环回路和冷却回路(关闭止回阀6、旁通阀7，开启总阀4和主阀8)，通过调节总阀4和主阀8的开度来调节回路流量，回路中工质在循环泵5的驱动下循环流动，待回路工况稳定以后，通过蠕动泵11将荧光染色剂rhb注入实验本体中，以荧光染色剂rhb的扩散表征流动工质的运动过程，并采用高速摄像机对流场内部的流场特性参数进行测量。

通过两台同型号激光发生器18进行互补式打光，保证实验中激光光强要求，防止因为多次分光造成光强衰弱带来的实验误差，同时弥补了沿程损失带来光强不均的缺陷，有效保证了实验测量精度。利用分光镜19对光波信号进行两次分光，同时采用窄通滤光片20、22、23进行分波处理(527nm窄通滤光片20仅保留染色剂fl27的荧光信号，532nm窄通滤光片22进保留示踪piv粒子的散光信号，578nm窄通滤光片23仅保留染色剂rhb的荧光信号)，利用同步器24控制高速摄像机21的同步拍摄，分别对流场的温度分布、速度分布、流动工质的运动轨迹及运动过程进行捕获，实现流场内部多物理参数的耦合同步测量。

本发明的目的在于提供一种可视化的流场与温场耦合测量实验系统，系统设计巧妙，价格低廉，数据采集准确方便，研究工况范围广，适用于各种复杂流场流动特性研究。可实现不同实验工况下复杂机械结构内部流场、温场特性的可视化测量，结合两种先进的激光诊断技术：激光诱导荧光技术(lif)和粒子图像测速技术(piv)，构建合理的光路系统，通过分光镜、窄通滤光片等一系列光学元件对piv示踪粒子以及荧光染色剂rhb、fl27的光波进行分波处理，利用同步器控制高速摄像机同步拍摄，将图像处理后获得不同实验工况下流场与温场的分布特性。流场与温场的分布特性包括：流场的温度分布、速度分布、湍流强度分布、流动工质的运动轨迹及运动过程。本发明实现了流场内部多物理参数的耦合同步测量。

本发明的实验回路采用模块化设计方案，以保证耦合测量实验系统的可靠性与准确性，同时满足了温度标定、工质冷却以及耦合测量的实验要求；

本发明采用双激光进行互补式打光，保证实验中光强要求，防止因为多次分光造成光强衰弱带来的实验误差，同时弥补了沿程损失带来光强不均的缺陷，有效保证了实验测量精度；

本发明采用高精度水平仪对实验台架以及高速摄像机进行调节，保证高速摄像机与拍摄面的垂直，防止光路畸变带来的测量误差；

本发明的高速摄像机与激光发生器布置在高精度的水平滑轨上，可以根据实验需求调节激光面的测量位置，进而获取不同区域处的流场特性；

本发明采用半透半返分光镜、截止滤光片、窄通滤光片等一系列光学元件，将不同波长的光波信号进行分离处理，实现流场内部温度、速度、工质运动过程(迹线)等信息的同步获取；

本发明通过同步器控制三台相机的拍摄，充分保证了相机拍摄的同步性，极大地降低了相机之间拍摄延迟带来的实验误差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。