一种高速液体射流表面速度测量装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种高速液体射流表面速度的测量装置和方法，属于高速液体射流运动 特性测绘技术领域，也属于高速液体射流喷射过程成像研究领域。
【背景技术】
[0002] 高速液体射流广泛应用于现代工业的各个领域，根据不同的应用，需要对高速液 体射流进行适当的调控，而对其发展演变过程的充分了解是实现合理调控的前提；在高速 液体射流表面初始扰动研究领域，高速液体射流的表面速度是其中一个非常重要的特征 量，准确测得射流表面速度是研究界面扰动和还原其真实物理的前提；不少研究取表面速 度等于射流平均速度，然而，理论分析和实验研究都表明；高速液体射流表面速度与射流平 均速度存在显著差异，高速液体射流表面速度是流向距离的复杂函数。
[0003] 高速液体射流离开喷嘴后，在多种力巧日，惯性力、粘性力、表面张力、界面作用力 等）的共同作用下，其界面会迅速发生剧烈变化，对该一部分射流段的表面速度进行测量变 得非常困难，是学术界和工程界一直探索的问题之一，接触性的直接测量会严重干扰界面 发展规律，显然不可行；容易想到的非接触式测量方法通常有两种，即PIV测量和PDA测量； PIV测量可W重构某一瞬时的整个射流流场，但对于高速液体射流表面速度的测量，PIV难 W避免两个方面的缺陷，一是高速液体射流界面存在较大的速度梯度和加速运动，该会导 致PIV测量中出现速度梯度误差和加速度误差；其次，PIV测量需要在液体中混惨示踪粒 子，示踪粒子的跟随性、浓度、尺度等会直接影响测量结果的准确度，而高速液体射流边界 层厚度极小，射流边界所能包含的示踪粒子数必然较少，该将直接影响测量结果的精度，再 者，界面扰动本身是小尺度扰动发展的结果，示踪粒子的加入势必对要测量流场造成一定 影响，是一个难W回避的问题，因而，对于射流表面速度的测量，PIV不是一个合适的选择； PDA测量通常也需要在流体中添加示踪粒子，当然也有学者利用射流破碎出的液滴充当示 踪粒子，但在喷嘴出口附近的高速液体射流，其表面只有很少量或者没有液滴剥离，在没有 足够液滴浓度的情况下，PDA的测量很难保证其测量的准确度和精度，也不是一个合适的测 量高速液体射流表面速度的方法。
[0004] 已授权专利《一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法》，【申请号】 CN201010153616.4提供了一种测量超高压水射流长度和半径的方法。但该方法所针对的是 水切割机射流的测量，其射流直径小于1mm，射流速度大于200m/s，无法对射流表面速度进 行测量。
【发明内容】
[0005] 本发明公开了一种基于拍摄技术和图像后处理获得高速液体射流表面速度的方 法；相对于技术背景中所提及的几种现有测量方法，本方法的测量过程直观可信，后处理手 段简单易行，尤其重要的是，测量结果直接来源于高速液体射流表面特征结构，因此所测得 的高速液体射流表面速度相对更接近真实的高速液体射流表面速度，可W为高速液体射流 初始扰动、破碎研究提供更加准确的定量信息。
[0006] 本发明的测量分为通过拍摄获得射流形态的图像和图像后处理两个部分。
[0007] 拍摄所涉及的装置如附图1，包括；高速数码相机、微距镜头、高速数码相机手持 显示器、光源和喷嘴；高速数码相机位于喷嘴的一侧，微距镜头连接在高速数码相机上，微 距镜头和喷嘴之间的水平距离为微距镜头的最小焦距，高速数码相机的放置高度应使得喷 嘴下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器的上缘中，使捕捉到的射流图像上同时 包含射流和喷嘴，W便后处理中有可供参考长度；光源位于喷嘴的另一侧，与微距镜头在同 一水平线。
[0008] 进一步地，喷嘴正下方设有水槽，喷嘴出口下边缘距离水槽液面高度，W能够避免 水槽姗射出的水对所要捕捉的射流造成影响为准，水槽的作用是缓解高速水射流的冲力。
[0009] 进一步地，喷嘴固定在支架上，支架的作用为固定喷嘴位置。
[0010] 进一步地，喷嘴和光源之间的距离W光源能照亮所要捕捉的视场为准。
[0011] 进一步地，在喷嘴和光源之间放置扩散板，扩散板与光源在同一水平线，扩散板面 积大于光源发光面积，扩散板的作用是获得均匀的面光源，减小测量误差。
[0012] 进一步地，所述喷嘴是能产生高速水射流的喷嘴，喷嘴出口内径为1?5 mm ;高速水 射流是指速度为20?lOOm/s的水射流。
[0013] 主要测量步骤为： 1、测量喷嘴的外缘直径，得到其长度N (mm),然后将喷嘴固定在支架上；喷嘴与水管相 连，增压器与水管相连。
[0014] 2、在喷嘴正下方放置水槽，向水槽中注水，水位由水槽上的溢流孔控制；喷嘴出口 下边缘距离水槽液面高度，W能够避免水槽姗射出的水对所要捕捉的射流造成影响为准。
[0015] 3、高速数码相机放置于喷嘴一侧，将显微镜头连接到高速数码相机上，根据微距 镜头的最小焦距定位显微镜头和喷嘴之间的水平距离，然后调整高速数码相机的高度，使 得喷嘴下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器的上缘中；光源放置于喷嘴另一 侦与微距镜头和喷嘴在同一水平线上；光源与喷嘴之间的距离W光源能照亮所要捕捉的 视场为准；扩散板放置于喷嘴和光源之间，扩散板的面积大于光源发光面积。
[0016] 4、开启增压器，使射流开始进行喷射，设定将高速数码相机的曝光时间和峽频，打 开光源，然后开始进行拍摄。
[0017] 5、将拍摄所得图像导入图像后处理软件中，在后处理软件中测量图像上喷嘴的 外缘直径的像素长度值n (pixels)，再根据之前已测得的喷嘴的外缘直径的实际长度N (mm)，即可得到图像上单位像素长度所代表的实际长度k，也即实际长度与像素长度的比例 系数；计算公式如下： !.-=-mm/pixel (1)。
[0018] 6、测量连续的两张射流图片上同一特征结构在射流流动方向上移动的长度以比 上两张图片的时间间隔T，即获得该一特征结构在该一段流向距离的移动速度U，因为该一 特征结构与射流边缘相连，因而U也是该一段流向距离射流的表面波速度；计算公式如下： 11 = ^- (2)。
[001引 7、重复步骤6的操作，得到多个表面波速度111，112，咕''11。，取它们的平均值即 得到射流表面波的平均速度i;计算公式如下：
【主权项】
1. 一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：所述装置包括高速数码相机、 微距镜头、高速数码相机手持显示器、光源和喷嘴；高速数码相机位于喷嘴的一侧，微距镜 头连接在高速数码相机上，微距镜头和喷嘴之间的水平距离为微距镜头的最小焦距，高速 数码相机的放置高度应使得喷嘴下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器的上缘 中，使捕捉到的射流图像上同时包含射流和喷嘴，以便后处理中有可供参考长度；光源位于 喷嘴的另一侧，与微距镜头在同一水平线。
2. 如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：喷嘴正下 方设有水槽，喷嘴出口下边缘距离水槽液面高度，以能够避免水槽溅射出的水对所要捕捉 的射流造成影响为准，水槽的作用是缓解高速水射流的冲力。
3. 如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：喷嘴固定 在支架上，支架的作用为固定喷嘴位置。
4. 如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：喷嘴和光 源之间的距离以光源能照亮所要捕捉的视场为准。
5. 如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：在喷嘴和 光源之间放置扩散板，扩散板与光源在同一水平线，扩散板面积大于光源发光面积，扩散板 的作用是获得均匀的面光源，减小测量误差。
6. 如权利要求1所述的一种高速液体射流表面速度测量装置，其特征在于：所述喷嘴 是能产生高速水射流的喷嘴，喷嘴出口内径为1~5mm;高速水射流是指速度为20~100m/s 的水射流。
7. 采用如权利要求1所述的装置进行高速液体射流表面速度测量的方法， 其特征在于具体步骤如下： (1) 测量喷嘴的外缘直径，得到其长度N(mm)，然后将喷嘴固定在支架上；喷嘴与水管 相连，增压器与水管相连； (2) 在喷嘴正下方放置水槽，向水槽中注水，水位由水槽上的溢流孔控制；喷嘴出口下 边缘距离水槽液面高度，以能够避免水槽溅射出的水对所要捕捉的射流造成影响为准； (3) 高速数码相机放置于喷嘴一侧，将显微镜头连接到高速数码相机上，根据微距镜头 的最小焦距定位显微镜头和喷嘴之间的水平距离，然后调整高速数码相机的高度，使得喷 嘴下边缘恰好能够出现在高速数码相机手持显示器的上缘中；光源放置于喷嘴另一侧，与 微距镜头和喷嘴在同一水平线上；光源与喷嘴之间的距离以光源能照亮所要捕捉的视场为 准；扩散板放置于喷嘴和光源之间，扩散板的面积大于光源发光面积； (4) 开启增压器，使射流开始进行喷射，设定将高速数码相机的曝光时间和帧频，打开 光源，然后开始进行拍摄； (5) 将拍摄所得图像导入图像后处理软件中，在后处理软件中测量图像上喷嘴的外缘 直径的像素长度值n(pixels)，再根据之前已测得的喷嘴的外缘直径的实际长度N(mm)， 即可得到图像上单位像素长度所代表的实际长度k，也即实际长度与像素长度的比例系数， 计算公式如下：
(6) 测量连续的两张射流图片上同一特征结构在射流流动方向上移动的长度L，比上两 张图片的时间间隔T，即获得这一特征结构在这一段流向距离的移动速度u，因为这一特征 结构与射流边缘相连，因而u也是这一段流向距离射流的表面波速度，计算公式如下：
(7)重复步骤6的操作，得到多个表面波速度Ul，u2,ufun，取它们的平均值即得到射 流表面波的平均速度| ;计算公式如下：
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的后处理软件包括Image-proplus和 Matlab。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的同一特征结构包括与射流边缘相连 的液带或突起。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述高速数码相机的曝光时间设为1ys， 帧频设为10000帧/s。
【专利摘要】本发明是一种高速液体射流表面速度的测量装置和方法，属于高速液体射流运动特性测绘技术领域，也属于高速液体射流喷射过程成像研究领域。本发明利用高速数码相机及微距镜头对高速液体射流表面特征结构进行捕捉，根据表面特征结构沿流向的运动规律计算高速液体射流表面速度。借助本方法的测量过程直观可信，后处理手段简单易行，尤其重要的是，测量结果直接来源于高速液体射流表面特征结构，因此所测得的高速液体射流表面速度相对更接近真实的高速液体射流表面速度。可以为高速液体射流初始扰动、破碎研究提供更加准确的定量信息。<b />
【IPC分类】G01P5-18
【公开号】CN104569482
【申请号】CN201410845725
【发明人】龚辰, 杨敏官, 闫龙龙, 王育立
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月31日