一种PIV固态示踪粒子发生器的制作方法

本实用新型涉及粒子示踪激光测量技术领域，具体涉及一种应用于气态流场测量的可以为粒子图像测速仪系统(PIV)提供均匀稳定粒子流的固态示踪粒子发生器。

背景技术：

粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry,PIV)是一种非接触的速度场测量技术，相对于热线风速仪等侵入性测量手段，PIV既具备单点测量技术高精度和高分辨率的优点，又能够获得平面流场显示的瞬态图像和整体结构。在二维全场测速领域中，PIV是一种成熟的技术，并迅速发展成为流场测量的标准方法。

PIV技术的基本原理是：在流场中播撒适当浓度的示踪粒子，使用Nd:YAG双腔双脉冲激光片光源照亮所测流场区域，通过连续两次或多次曝光(两束脉冲激光的时间间隔可调)，粒子的图像被记录在CCD相机中，图像后处理软件采用互相关法对每对照片中的两帧粒子图像进行互相关运算，获得流场中各点的速度矢量。由此可见，示踪粒子的产生与播撒是得到理想流场结果的前提和重要影响因素。示踪粒子的选择和粒子发生器的使用应满足以下要求：

示踪粒子选择的问题。示踪粒子要求无毒、无腐蚀、化学性质稳定、清洁，最重要的是要求粒子与流体运动的跟随性好。要使粒子的流动跟随性好，就需要粒子的直径较小，但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之，粒子选取的原则为：粒子的比重要尽量接近流体介质的比重，粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小，一般为微米量级。另外，粒径的影响比密度的影响高一个数量级。在水流场中播撒的示踪粒子尺度要求为10～50μm，在空气流场中使用的示踪粒子尺度要求为1～10μm。

粒子发生器使用的问题。粒子发生器要求具备快速调节测量区域内粒子浓度的能力，并在一定时间内维持粒子浓度基本恒定。当粒子浓度很大时，粒子影像会重叠在一起，由于激光为干涉光，所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移，但对于运动的粒子而言，散斑场的稳定性较差，提取散斑场的位移相对比较困难。当粒子浓度太低时，粒子的运动将不能充分、全面地反映流场的真实结构，PIV无法进行高置信度的互相关运算。因此示踪粒子从选择到播撒都必须认真考虑。

公知的固态示踪粒子发生器，如Lavision公司的Particle Blaster 110的组成包括：粒子存储罐、开有进气口和出气口的板盖、可在罐体中调整位置的环形进气腔、能够产生电磁场的底座和磁力搅拌棒。这种粒子发生器非常昂贵；其次，磁力搅拌棒为规则的圆柱形，在搅拌粒子和破碎结块方面效果欠佳；再次这种粒子发生器没有设置加料口，补充粒子时需拆卸板盖，操作繁琐；另外，工作压力范围较窄，最大不超过0.5MPa；最后，这种发生器的粒子容量小，粒子产生量少。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种用于气态流场测量中的固态示踪粒子发生器，其固态粒子种类适用性广，可满足冷态空气流场和燃烧流场的测量需要；并在较宽的气源压力范围内(0.2MPa～1.6MPa)，能够实现微米级示踪粒子的快速播撒和粒子浓度的快速调节。使用方便，无需事先充气，接通气源即可产生均匀稳定的粒子流。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样的：

一种PIV固态示踪粒子发生器，包括一存储固态示踪粒子的罐体、一固定连接在所述罐体顶部的板盖和一设置在所述罐体内用以搅拌固态示踪粒子的低速旋转机构，其特征在于，

所述板盖上设置有进气口、环形进气腔和出气口，

所述进气口一端与所述环形进气腔连通，另一端通过一进气管与一设置在所述罐体外部的高压气源连通，

所述出气口一端与所述罐体连通，另一端通过一粒子导出管与设置在所述罐体外部的流场测量区域连通，

所述环形进气腔的底侧壁面上开有若干个沿周向均匀分布并与所述罐体连通的通孔，通过所述通孔进入所述罐体的高压气体形成周向均匀的高速射流气流吹扫存储在所述罐体中的固态示踪粒子。

优选地，所述罐体为一圆柱形罐体，所述低速旋转机构为一设置在所述圆柱形罐体内的搅拌铲、搅拌耙、或搅拌铲与搅拌耙的组合结构。

优选地，所述低速旋转机构与一设置在所述罐体外部的电机机械连接。

优选地，所述电机置于所述罐体的底部，电机转轴向上伸入到所述罐体内与所述低速旋转机构机械连接，所述电机转轴与罐体之间设有密封结构。

优选地，所述进气管上设有控制进气流量的阀门，所述粒子导出管上设有能快速切断粒子供应的阀门。

优选地，所述环形进气腔底侧壁面的通孔为斜孔。

优选地，所述板盖通过法兰密封固定连接在所述罐体的顶部，所述进气口设置在板盖的边缘位置，所述出气口设置在板盖的中心位置。

优选地，所述板盖上设置有加料口、气压表和泄压阀，所述加料口上配备有堵头，所述加料口、气压表和泄压阀设置在所述进气口与所述出气口之间的环形区域。

优选地，所述高压气源为空气压缩机气源。

优选地，存储在所述罐体中的固态示踪粒子，其存放量不超过所述罐体容积的一半。

本实用新型的PIV固态示踪粒子发生器，其工作原理及流程如下：

本实用新型的PIV固态示踪粒子发生器将存储固态粒子的罐体和搅拌粒子的低速旋转机构相结合，在工作时，首先将合适种类的固态示踪粒子盛放于罐体中，存放量为所述罐体容积的一半；然后，来自空气压缩机等高压气源的高压空气通过环形进气腔的通孔喷射出来，形成周向均匀的高速射流气流吹扫固态示踪粒子；与此同时，固态示踪粒子堆积体在低速旋转机构的作用下做不规则运动，增大了吹扫气流与固态示踪粒子的接触表面积，吹扫气流随即携带大量固态示踪粒子通过出气口进入粒子导出管，导出到相应的流场测量区域，实现气态速度场测量。

同现有技术相比，本实用新型的PIV固态示踪粒子发生器，其罐体与板盖之间固定连接，增大罐体耐压能力，可在比较宽的气源压力范围内(0.2MPa～1.6MPa)，能够实现微米级示踪粒子的快速播撒和粒子浓度的快速调节；粒子种类适用性广，可满足冷态空气流场和燃烧流场的测量需要；操作方便，无需事先充气，接通气源即可持续产生均匀稳定的粒子流；低速旋转机构能有效抑制固态示踪粒子聚集结块，增大粒子产生量、提高粒子利用率，板盖上设置加料口，方便补充固态示踪粒子，但必须在切断高压气源的前提下才可进行加料操作。

附图说明

图1为本实用新型的PIV固态粒子发生器的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的PIV固态粒子发生器，包括存储固态示踪粒子的圆柱形罐体1、通过法兰与罐体顶部固定连接的板盖2和搅拌固态示踪粒子的低速旋转机构；板盖2上设置有进气口4、环形进气腔5和出气口6；进气口4通过进气管7和阀门8与空气压缩机气源9连接；环形进气腔5的底侧壁面设置若干个通孔10，通孔10优选为斜孔，斜孔的孔径为2mm，数目为6个，沿周向均匀布置；出气口6与粒子导出管11连接，粒子导出管11与设置在罐体1外部的流场测量区域3连通。低速旋转机构包括搅拌铲或搅拌耙12和驱动它们的低速交流电机13，转速为20r/min。电机13置于圆柱形罐体1的底部，电机13的转轴与罐体1之间通过O型圈A密封，并采用压紧片14压紧O型圈A来保证良好的密封效果。

进气口4、进气管7、阀门8以及空压机气源9之间通过卡套接头B连接。为更好地实现本实用新型的技术方案，阀门8为球阀，根据实验测量需要，可方便快速地调节进入粒子发生器的空气流量，进而控制流场测量区域中的粒子浓度。

为更好地实现本实用新型的技术方案，在实施例中，出气口6与粒子导出管11通过卡套接头B连接。粒子导出管11上设置有能快速切断粒子供应的阀门15，该阀门为电磁阀。

本实施例中，进气口4设置在板盖2的边缘位置，出气口6设置在板盖2的中心位置。在板盖2上还设置有加料口16、泄压阀17和气压表18，它们的位置位于进气口4与出气口6之间的环形区域。加料口16的设置，可以满足在不拆卸板盖2的条件下，方便快捷地向粒子发生器补充粒子物料的需要。在粒子发生器工作时，使用一个带有管螺纹的堵头将加料口封严。泄压阀17和气压表18可将粒子发生器内的气体压强限定在1.6MPa以内，来确保使用安全。

现结合图1和已有设计详细介绍一下本实用新型的PIV固态粒子发生器各部件的结构、尺寸和工作原理。粒子发生器的主体是罐体1，其尺寸可以根据实验测量需要，如试验件尺寸、测量持续时间及粒子流浓度等因素来适当选取。根据已有设计经验，当试验件空气流量为10～100立方米/时，进入粒子发生器内的空气流量约占比30％，圆柱形罐体1外径为160mm，壁厚为5mm，高度为120mm。圆形板盖2的直径为200mm，通过法兰和M6标准螺栓与罐体1连接。罐体1的法兰盘中开有凹槽，凹槽中布置O型橡胶密封圈A，板盖2上加工有与凹槽配合的用以压紧O型圈的圆环状凸楞19。

进气系统依次由空压机气源9、球阀8、进气管7、进气口4、环形进气腔5和斜孔10组成。它们之间通过卡套接头或格林头B连接，进气管7为外径10mm的不锈钢管，这样的设置可以保证进气系统的耐压能力。实际操作时，通过调节球阀8的开度来控制进气流量，进而调节测量区域内的粒子浓度。排气系统依次由出气口6、粒子导出管11和电磁阀15组成。它们之间通过卡套接头或格林头B连接，导出管11为外径10mm的不锈钢管。

搅拌粒子堆积体的低速旋转机构由搅拌铲或搅拌耙12和驱动它们的低速交流电机13组成。低速电机的转速为20r/min。电机13通过螺钉固定在罐体1的底部，电机13的转轴与罐体1之间通过O型圈A密封，并采用压紧片14压紧O型圈A来保证良好的密封效果。压紧片14通过螺钉与罐体1连接。从粒子发生器的俯视视角方向来看，低速旋转机构的旋转方向为逆时针。

本实用新型的PIV固态粒子发生器的工作原理及工作过程是：来自高压气源的高压空气通过进气管、球阀和进气口进入环形进气腔，通过球阀来控制高压气体的体积流量。圆柱形罐体中装入约1/2容量的固态示踪粒子，高压空气通过环形进气腔底侧壁面的斜孔喷射出来，形成周向均匀的高速射流气流吹扫在旋转机构作用下做不规则运动的粒子；随即，大量粒子被气流携带出来进入粒子导出管，再进入流场测量区域，形成均匀稳定的示踪粒子流。工作过程具体为，首先将合适种类的示踪粒子盛放于粒子存储罐，存放量为罐体容积的一半，然后，来自空气压缩机的高压空气通过进气管7、球阀8和进气口4进入环形进气腔5，通过球阀8来控制高压气体的体积流量。随后，高压气体通过环形进气腔5底侧壁面的斜孔10喷射出来，形成周向均匀的高速射流气流吹扫粒子；与此同时，粒子堆积体在搅拌铲或搅拌耙12的作用下做不规则运动，增大了吹扫气流与粒子的接触表面积，吹扫气流随即携带大量粒子通过出气口6进入粒子导出管11，导出到相应的流场测量区域3，实现气态速度场测量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。