一種水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，由水氣循環(huán)裝置、連續(xù)激光光源組件、高速攝像機和計算機組成；水氣循環(huán)裝置包括水流整流器、測槽、用于支撐測槽的支架、用于調(diào)節(jié)測槽傾斜度的螺桿升降機、氣流示蹤劑釋放盒、集水池、循環(huán)泵、第一連接管、第二連接管、第三連接管和控制閥。連續(xù)激光光源組件由激光器、柱透鏡和反射鏡組成，激光器發(fā)出的光束經(jīng)柱透鏡折射后成為片狀光束，片狀光束經(jīng)反射鏡反射后垂直投射到測槽底壁的中線上；高速攝像機通過數(shù)據(jù)線與計算機連接。本發(fā)明還提供了基于上述測量系統(tǒng)的水氣兩相分層流流場同步測量的方法。本發(fā)明能簡化測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高測量精度，并更為方便快捷的獲得盡可能多的流場信息。
【專利說明】
一種水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于水氣兩相分層流流場測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水氣兩相分層流流場同步測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水氣兩相分層流是指氣、液兩相不相溶或具有相界面物質(zhì)混合體的流動。水、氣兩相間存在動量傳遞，主要表現(xiàn)為一相流動引起的另一相流動，而且相互影響，水氣兩相交界面附近運動和動力參數(shù)存在耦合效應。對水氣兩相流流場進行同步測量是研究水氣兩相分層流流速耦合特征、動量傳遞機理和水面變形失穩(wěn)的基礎(chǔ)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中雖有搭建相關(guān)的測量平臺對水氣兩相分層流的流動參數(shù)進行測量的相關(guān)報道，但都存在不足。如 Wongwises(Somchai ffongwises ,VladimirKalinitchenk0.Mean Velocity Distribut1ns in a Horizontal Air-ffater Flow[J].1nternat1nal Journal of Multiphase Flow，2002，28:167-174.)搭建了一個包括實驗段、供氣設施、供水設施、測量設備和數(shù)據(jù)采集設施的實驗系統(tǒng)。液相的水平速度采用Dantec公司的激光多普勒流速儀的氦氖激光和光電倍增管進行測量。氣流的速度采用Dantec公司的 CTA-90 CNl 0/C1 恒溫流速儀量測。又如Fernandino (M.Fernandino，T.Ytrehus.Determinat1n of Flow Sub-Regimes in Stratified Air-ffater ChannelFlowUsing LDV Spectra[J].1nternat1nal Journal of Multiphase Flow,2006,32:436-446.)在一個長9m，橫斷面為7cm*7cm的矩形槽道中采用激光多普勒流速儀測量了水相、氣相的脈動流速。諸如此類的現(xiàn)有的水氣兩相分層流流場的測量系統(tǒng)存在以下不足:
[0004](I)需要加設同步控制裝置，才能測得水流、氣流的耦合速度。但水流流速超過4?6m/s后，水氣交界面不再是光滑的曲面，而是存在多種尺度的凸體和凹坑，且不規(guī)則的水氣界面形狀會在短時間內(nèi)發(fā)生很大的變化。所以要想獲得水氣兩相的耦合流場，不僅要求同步控制裝置的精度高，而且要布置多個測量探頭，才有可能獲得多個點的流速，水相、氣相流場的耦合精度受同步控制精度和測量探頭布置位置的影響。
[0005](2)采用“點”流速測量方法，而流場包含無數(shù)個測點，要想獲得更多的流場信息，恒定流時至少需要兩個測量探頭，非恒定流時，則需要多個傳感器探頭，儀器布設復雜。而即便如此，也很難獲得完整的流場信息。另外，多個探頭不僅增加測量成本，而且干擾流場，使測量精度大大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)及測量方法，以簡化測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高測量精度，并更為方便快捷的獲得盡可能多的流場ig息。
[0007]本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，由用于形成穩(wěn)定的水氣兩相分層流的水氣循環(huán)裝置、用于形成片狀光束的連續(xù)激光光源組件、高速攝像機和計算機組成；
[0008]所述水氣循環(huán)裝置包括水流整流器、測槽、用于支撐測槽的支架、用于調(diào)節(jié)測槽傾斜度的螺桿升降機、氣流示蹤劑釋放盒、集水池、循環(huán)栗、第一連接管、第二連接管、第三連接管和控制閥；測槽為透光材料制作的條形槽，由前側(cè)壁、后側(cè)壁、底壁、進水端端壁、出水端端壁組合而成，所述進水端端壁下部設置有矩形進水口，出水端端壁下部設置有出水口 ；水流整流器為弧形管，該弧形管從進水端至出水端由圓形截面光滑漸變擴大形成與測槽進水端端壁下部設置的矩形進水口相匹配的矩形截面，所述集水池設置有注水/放水口、循環(huán)水入口和循環(huán)水出口，集水池內(nèi)設置有攪拌器;支架安裝在地基上，它的上端與測槽底壁的外壁鉸連，螺桿升降機安裝在地基上，它的螺桿與測槽底壁的外壁連接;水流整流器的進水端與第一連接管的出水端連接，水流整流器的出水端與測槽進水端端壁下部設置的矩形進水口銜接，循環(huán)栗的出水口與第一連接管的進水端連接，循環(huán)栗的進水口與第二連接管的出水端連接，集水池的循環(huán)水出口與第二連接管的進水端連接，集水池的循環(huán)水入口與第三連接管的出水端連接，第三連接管的進水端與測槽出水端端壁下部設置的出水口銜接，控制閥設置在第二連接管上，氣流示蹤劑釋放盒安裝在測槽上部且靠測槽的進水端；
[0009]所述連續(xù)激光光源組件由激光器、柱透鏡和反射鏡組成，激光器發(fā)出的光束經(jīng)柱透鏡折射后成為片狀光束，所述片狀光束經(jīng)反射鏡反射后垂直投射到測槽底壁的中線上；
[0010]所述高速攝像機通過數(shù)據(jù)線與計算機連接，用于采集不同時刻水氣兩相交界面附近水流中的水流示蹤粒子、氣流中的氣流示蹤劑的運動圖像并傳輸給計算機；
[0011]所述計算機用于控制高速攝像機對水流示蹤粒子圖像和氣流示蹤劑圖像的采集，并將接收到的圖像信號予以處理、儲存和顯示。
[0012]上述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，所述氣流示蹤劑釋放盒包括盒體和盒蓋，盒體的形狀為三棱柱，該三棱柱盒體由第一側(cè)面、第二側(cè)面、第一端面和第二端面組成，第一側(cè)面、第二側(cè)面為形狀相同的弧面，第一側(cè)面和第二側(cè)面的一側(cè)相交形成三棱柱的一條棱，第一側(cè)面和第二側(cè)面的另一側(cè)形成三棱柱的兩條棱，第一端面和第二端面為形狀相同的平面，所述平面均由兩條形狀相同的弧線和一條直線圍成，盒蓋為矩形平板，盒蓋與三棱柱盒體組合后形成三棱柱的第三側(cè)面，盒蓋上設置有釋放氣流示蹤劑的微孔，盒蓋與盒體的組合方式為卡接;所述測槽靠進水端的前側(cè)壁和后側(cè)壁上部分別設置有第一銷軸、第二銷軸，第一銷軸和第二銷軸的中心線在同一直線上，氣流示蹤劑釋放盒在測槽上部的安裝方式:組成盒體的第一端面和第二端面分別與位于測槽前側(cè)壁、后側(cè)壁上的第一銷軸、第二銷軸可轉(zhuǎn)動式連接，第一銷軸和第二銷軸上均設置有限位卡，當氣流示蹤劑釋放盒調(diào)整到測試時所需的位置時，通過限位卡定位;氣流示蹤劑釋放盒測試時所需的位置是:組成盒體的第一側(cè)面、第二側(cè)面相交形成的棱朝向氣流方向的相反方向，盒蓋垂直于氣流方向。
[0013]上述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，還包括水流流量計，所述水流流量計安裝在第一連接管的平直段上。
[0014]上述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，制作測槽的透光材料為有機玻璃，測槽的前側(cè)壁、后側(cè)壁和底壁設置有鋼材焊接而成的護欄。
[0015]上述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，當水流速度24.5m/s時，水流整流器的弧形管內(nèi)需設置弧形導流板。
[0016]上述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，所述計算機裝有控制高速攝像機的軟件和圖像處理軟件，可以控制高速攝像機的拍攝頻率，拍攝范圍，并存儲拍攝到的水面附近水流示蹤粒子、氣流示蹤劑的運動圖像。所述高速攝像機主要包括高分辨率的CMOS或CCD圖像傳感器及其配套部件。所述高速攝像機是拍攝頻率為50?3000fps的攝像機。根據(jù)水流流速選擇相應拍攝頻率的高速攝像機，水流流速越大則高速攝像機的拍攝頻率越大，反之亦然。
[0017]本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量的方法，使用本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，步驟依次如下:
[0018](I)向集水池中注水至所需水量，然后打開控制閥和離心栗，使水流循環(huán)流過水流整流器、測槽、集水池，形成穩(wěn)定的水氣兩相分層流；
[0019](2)向集水池中添加水流示蹤粒子，并開啟攪拌器將水流示蹤粒子撒播均勻，同時把形成氣流示蹤劑的物質(zhì)放入氣流示蹤劑釋放盒中；
[0020](3)在測槽中確定測量段，然后開啟激光器并調(diào)節(jié)柱透鏡和反射鏡，使形成的片狀光束垂直投射到測量段處測槽底壁的中線上；
[0021](4)操作計算機，控制高速攝像機采集水氣兩相交界面附近的水流示蹤粒子圖像和氣流不蹤劑圖像；
[0022](5)操作計算機，對高速攝像機所采集的圖像進行降噪、二值化處理，然后對拍攝時間相差A t的兩幅圖像進行互相關(guān)運算分析，計算出氣流示蹤劑和水流示蹤粒子的流速，所述水流示蹤粒子的流速即為水流的流速，氣流示蹤劑的流速即為氣流的流速。
[0023]上述水氣兩相分層流流場同步測量的方法，所述水流示蹤粒子為密度接近水密度的空心玻璃微珠，所述形成氣流示蹤劑的物質(zhì)為固態(tài)二氧化碳。
[0024]上述水氣兩相分層流流場同步測量的方法，測量段應是測槽中具有穩(wěn)定水氣兩相分層流的部段。
[0025]本發(fā)明所述方法通過在流場中投放示蹤粒子(示蹤劑)，用激光片狀光束入射到流場中，通過高速攝像機從與片光源所在平面垂直的方向?qū)⑹聚櫫Ｗ?示蹤劑)圖像記錄下來，測量圖像中兩次曝光示蹤粒子(示蹤劑)之間的距離，并用該距離除以脈沖時間間隔，得到瞬時速度場，從而得到水流和氣流的同步耦合流場。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0027]1、本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)采用高速攝像機采集水流示蹤粒子、氣流示蹤劑運動圖像，高速攝像機能以很高的頻率記錄一個動態(tài)的圖像，再通過計算機分析和處理實現(xiàn)水流、氣流兩相分層流流速分布的同步測量，而不需要同步控制裝置和多個測量探頭，從而可避免同步控制裝置精度和多個探頭的布設方式對測量精度的影響，有利于提高測量精度，并同時簡化了測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0028]2、本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)采用高速攝像機采集水流示蹤粒子、氣流示蹤劑運動圖像，一次可拍攝到多個水流示蹤粒子及大面積氣流示蹤劑的運動圖像，因而可同步測量大量流場信息，方便快捷的獲得盡可能多的流場信息，有利于對水氣兩相分層流交界面附近水氣兩相流場進行大規(guī)模測量或者全場測量，而無需多個傳感器探頭，在得到完整流場信息的同時簡化了操作工序，降低了成本。
[0029]3、本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)中，水氣循環(huán)裝置的結(jié)構(gòu)保證了能形成穩(wěn)定的水氣兩相分層流，因而能滿足水氣兩相分層流研究的需要。
[0030]4、本發(fā)明所屬方法以固態(tài)二氧化碳(干冰)升華后的霧狀二氧化碳氣體為空氣流場測量的氣流示蹤劑，由于空氣中含有二氧化碳，因而示蹤劑的跟隨性好，測量精度高，不污染環(huán)境。
[0031]5、本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)的水氣循環(huán)裝置中有獨立的水循環(huán)系統(tǒng)，從而能減少實驗用水量和水流示蹤粒子用量。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖(圖中箭頭指向為水流方向)。
[0033]圖2為測槽的一種形狀和結(jié)構(gòu)示意圖，以立體圖表示。
[0034]圖3為圖2所示測槽的主視圖。
[0035]圖4為圖2所示測槽的俯視圖。
[0036]圖5為圖4的A-A剖視圖。
[0037]圖6為水流整流器的一種形狀和結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖7為圖6的B向視圖。
[0039]圖8為氣流示蹤劑釋放盒中盒體的形狀和結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖9為氣流示蹤劑釋放盒中盒蓋的形狀和結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖10是測試時氣流示蹤劑釋放盒在測槽中調(diào)試到所需位置的示意圖。
[0042]圖11是氣流示蹤劑釋放盒在測槽中的安裝示意圖。
[0043]圖12是使用本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)進行測試的示意圖。
[0044]圖13是使用本發(fā)明所述測量系統(tǒng)、采用本發(fā)明所述方法進行測量所得到的水氣交界面附近的水流示蹤粒子和氣流示蹤劑的圖像經(jīng)二值化處理后的灰度圖，其中，a圖為時刻t的灰度圖，b圖為時刻t+0.02s的灰度圖。
[0045]圖14為將圖13中的兩張圖像經(jīng)過互相關(guān)運算后，得到的水相、氣相流速分布圖。
[0046]圖中，I一水流整流器，1-1 一導流板，2—測槽，2-1—前側(cè)壁，2_2—后側(cè)壁，2-3—底壁，2-4—進水端端壁，2-5 —出水端端壁，2-6—矩形進水口，2-7—出水口，3—氣流不蹤劑釋放盒，3-1—盒體，3-1-1—第一側(cè)面，3-1-2—第二側(cè)面，3-1-3—第一端面，3_1_4—第二端面，3-2 一盒蓋，3-2-1 一釋放氣流不蹤劑的微孔，4 一測量段，5 一第一連接管，6 一螺桿升降機，7—螺桿，8—支架，9一集水池，9-1 一注水/放水口，9-2—循環(huán)水入口，9-3—循環(huán)水出口，1—第二連接管，11 一第三連接管，12—計算機，13—高速攝像機，14一激光器，15—柱透鏡，16一反射鏡，17一控制閥，18一循環(huán)栗，19一攬摔器，20一水流流量計，21—護欄，22 一氣流不蹤劑，23—水氣交界面，24 一第一銷軸，25 一第二銷軸，26 一限位卡，27 一片狀光束，28一測量范圍，29一尚速攝像機米集到的圖像，30一時刻t時氣流不蹤劑和水流不蹤粒子在圖像中的位置，31 — t+At時氣流示蹤劑和水流示蹤粒子在圖像中的位置，32—測槽底壁的中線，33—水流示蹤粒子。
【具體實施方式】
[0047]下面通過【具體實施方式】對本發(fā)明所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)及測量方法作進一步說明。
[0048]實施例1
[0049]本實施例所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由用于形成穩(wěn)定的水氣兩相分層流的水氣循環(huán)裝置、用于形成片狀光束的連續(xù)激光光源組件、高速攝像機13和計算機12組成；
[0050]所述水氣循環(huán)裝置包括水流整流器1、測槽2、用于支撐測槽的支架8、用于調(diào)節(jié)測槽傾斜度的螺桿升降機6、氣流示蹤劑釋放盒3、集水池9、循環(huán)栗18、第一連接管5、第二連接管10、第三連接管11、控制閥17和水流流量計20;測槽2為有機玻璃制作的條形槽，如圖2至圖5所示，由前側(cè)壁2-1、后側(cè)壁2-2、底壁2-3、進水端端壁2-4、出水端端壁2_5組合而成，所述進水端端壁2-4下部設置有矩形進水口 2-6，出水端端壁2-5下部設置有出水口 2-7，測槽的前側(cè)壁2-1、后側(cè)壁2-2和底壁2-3設置有鋼材焊接而成的護欄21;水流整流器I為弧形管，該弧形管從進水端至出水端由圓形截面光滑漸變擴大形成與測槽進水端端壁下部設置的矩形進水口 2-6相匹配的矩形截面，所述集水池9設置有注水/放水口 9-1、循環(huán)水入口 9-2和循環(huán)水出口 9-3，集水池內(nèi)設置有攪拌器19;各構(gòu)件的組合方式:支架8安裝在地基上，它的上端與測槽底壁2-3的外壁鉸連，螺桿升降機6安裝在地基上，它的螺桿7與測槽底壁2-3的外壁連接;水流整流器I的進水端與第一連接管5的出水端連接，水流整流器I的出水端與測槽進水端端壁下部設置的矩形進水口 2-6銜接，循環(huán)栗18的出水口與第一連接管5的進水端連接，循環(huán)栗18的進水口與第二連接管的出水端連接，集水池9的循環(huán)水出口 9-3與第二連接管的進水端連接，集水池9的循環(huán)水入口 9-2與第三連接管11的出水端連接，第三連接管的進水端與測槽出水端端壁下部設置的出水口 2-7銜接，控制閥17設置在第二連接管10上，氣流示蹤劑釋放盒3安裝在測槽上部且靠測槽的進水端;所述水流流量計安裝在第一連接管5的平直段上。
[0051]所述氣流示蹤劑釋放盒3如圖8、圖9所示，包括盒體3-1和盒蓋3-2，盒體3-1的形狀為三棱柱(見圖8)，該三棱柱盒體由第一側(cè)面3-1-1、第二側(cè)面3-1-2、第一端面3-1-3和第二端面3-1-4組成，第一側(cè)面、第二側(cè)面為形狀相同的弧面，第一側(cè)面和第二側(cè)面的一側(cè)相交形成三棱柱的一條棱，第一側(cè)面和第二側(cè)面的另一側(cè)形成三棱柱的兩條棱，第一端面和第二端面為形狀相同的平面，所述平面均由兩條形狀相同的弧線和一條直線圍成，盒蓋3-2為矩形平板(見圖9)，盒蓋與三棱柱盒體組合后形成三棱柱的第三側(cè)面，盒蓋上設置有釋放氣流示蹤劑的微孔3-2-1，盒蓋3-2與盒體的組合方式為卡接;所述測槽靠進水端的前側(cè)壁2-1和后側(cè)壁2-2上部分別設置有第一銷軸24、第二銷軸25，第一銷軸和第二銷軸的中心線在同一直線上，氣流示蹤劑釋放盒3在測槽上部的安裝方式(見圖11):組成盒體3-1的第一端面3-1-3和第二端面3-1-4分別與位于測槽前側(cè)壁2-1、后側(cè)壁2-2上的第一銷軸、第二銷軸可轉(zhuǎn)動式連接，第一銷軸和第二銷軸上均設置有限位卡26，當氣流示蹤劑釋放盒3調(diào)整到測試時所需的位置時，通過限位卡定位;氣流示蹤劑釋放盒3測試時所需的位置是:組成盒體3-1的第一側(cè)面、第二側(cè)面相交形成的棱朝向氣流方向的相反方向，盒蓋3-2垂直于氣流方向(見圖10)。
[0052]所述連續(xù)激光光源組件由激光器14、柱透鏡15和反射鏡16組成，激光器發(fā)出的光束經(jīng)柱透鏡折射后成為片狀光束，所述片狀光束經(jīng)反射鏡反射后垂直投射到測槽底壁2-3的中線上;所述片狀光束的厚度為1_。組成連續(xù)激光光源組件的激光器14、柱透鏡15和反射鏡16均可通過市場購買。
[0053]所述高速攝像機13通過數(shù)據(jù)線與計算機12連接，用于采集不同時刻水氣兩相交界面附近水流中的水流示蹤粒子、氣流中的氣流示蹤劑的運動圖像并傳輸給計算機;所述高速攝像機為美國IDT Y3-S1數(shù)字式高速攝像機，拍攝頻率為500fps。
[0054]所述計算機12裝有控制高速攝像機的軟件及能對圖像進行降噪、二值化處理及互相關(guān)運算的軟件，用于控制高速攝像機對水流示蹤粒子圖像和氣流示蹤劑圖像的采集，并將接收到的圖像信號予以處理、儲存和顯示。
[0055]實施例2
[0056]本實施例使用實施例1所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)進行水氣兩相分層流流場同步測量，步驟依次如下:
[0057](I)向集水池9中注水至所需水量，然后打開控制閥17和離心栗18，使水流循環(huán)流過水流整流器1、測槽2、集水池9，形成穩(wěn)定的水氣兩相分層流;水流的流量為40L/s，水流的流速為2m/s ；
[0058](2)向集水池中添加水流示蹤粒子33，并開啟攪拌器19將水流示蹤粒子撒播均勻，同時把形成氣流示蹤劑22的固態(tài)二氧化碳放置在氣流示蹤劑釋放盒3中；
[0059](3)在測槽中確定測量段4，然后開啟激光器14并調(diào)節(jié)柱透鏡15和反射鏡16，使形成的片狀光束垂直投射到測量段處測槽底壁的中線32上；
[0060](4)操作計算機12，控制高速攝像機13采集水氣兩相交界面附近的水流示蹤粒子、氣流示蹤劑在t時刻和t+0.02s時刻的運動圖像；
[0061](5)操作計算機12，對高速攝像機拍攝到的水流示蹤粒子、氣流示蹤劑在t時刻的運動圖像和t+0.02s時刻的運動圖像進行降噪、二值化處理，得到的灰度圖像見圖13，通過互相關(guān)運算得到水流示蹤粒子、氣流示蹤劑的位移，再結(jié)合采集兩幅照片的時間差，計算出水流示蹤粒子和氣流示蹤劑的流速，所得水流示蹤粒子的流速即為水流的流速，所得氣流示蹤劑的流速即為氣流的流速。水流、氣流流速分布見圖14，從圖14可以看出，本發(fā)明所述方法一次獲得了多個點水相、氣相流速。水氣交界面處，水流速度和氣流速度方向一致，但速度大小有較明顯區(qū)別。
【主權(quán)項】
1.一種水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，其特征在于由用于形成穩(wěn)定的水氣兩相分層流的水氣循環(huán)裝置、用于形成片狀光束的連續(xù)激光光源組件、高速攝像機(13)和計算機(12)組成; 所述水氣循環(huán)裝置包括水流整流器(I)、測槽(2)、用于支撐測槽的支架(8)、用于調(diào)節(jié)測槽傾斜度的螺桿升降機(6)、氣流示蹤劑釋放盒(3)、集水池(9)、循環(huán)栗(18)、第一連接管(5)、第二連接管(10)、第三連接管(11)和控制閥(17);測槽(2)為透光材料制作的條形槽，由前側(cè)壁(2-1)、后側(cè)壁(2-2)、底壁(2-3)、進水端端壁(2-4)、出水端端壁(2-5)組合而成，所述進水端端壁(2-4)下部設置有矩形進水口(2-6)，出水端端壁(2-5)下部設置有出水口(2-7);水流整流器(I)為弧形管，該弧形管從進水端至出水端由圓形截面光滑漸變擴大形成與測槽進水端端壁下部設置的矩形進水口(2-6)相匹配的矩形截面，所述集水池(9)設置有注水/放水口(9-1)、循環(huán)水入口(9-2)和循環(huán)水出口(9-3)，集水池內(nèi)設置有攪拌器(19);支架(8)安裝在地基上，它的上端與測槽底壁(2-3)的外壁鉸連，螺桿升降機(6)安裝在地基上，它的螺桿(7)與測槽底壁(2-3)的外壁連接;水流整流器(I)的進水端與第一連接管(5)的出水端連接，水流整流器(I)的出水端與測槽進水端端壁下部設置的矩形進水口(2-6)銜接，循環(huán)栗(18)的出水口與第一連接管(5)的進水端連接，循環(huán)栗(18)的進水口與第二連接管的出水端連接，集水池(9)的循環(huán)水出口(9-3)與第二連接管的進水端連接，集水池(9)的循環(huán)水入口(9-2)與第三連接管(II)的出水端連接，第三連接管(11)的進水端與測槽出水端端壁下部設置的出水口(2-7)銜接，控制閥(17)設置在第二連接管(10)上，氣流示蹤劑釋放盒(3)安裝在測槽上部且靠測槽的進水端； 所述連續(xù)激光光源組件由激光器(14)、柱透鏡(15)和反射鏡(16)組成，激光器發(fā)出的光束經(jīng)柱透鏡折射后成為片狀光束，所述片狀光束經(jīng)反射鏡反射后垂直投射到測槽底壁(2-3)的中線上； 所述高速攝像機(13)通過數(shù)據(jù)線與計算機(12)連接，用于采集不同時刻水氣兩相交界面附近水流中的水流示蹤粒子、氣流中的氣流示蹤劑的運動圖像并傳輸給計算機； 所述計算機(12)用于控制高速攝像機對水流示蹤粒子圖像和氣流示蹤劑圖像的采集，并將接收到的圖像信號予以處理、儲存和顯示。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，其特征在于所述氣流示蹤劑釋放盒(3)包括盒體(3-1)和盒蓋(3-2)，盒體(3-1)的形狀為三棱柱，該三棱柱盒體由第一側(cè)面(3-1-1)、第二側(cè)面(3-1-2)、第一端面(3-1-3)和第二端面(3-1-4)組成，第一側(cè)面、第二側(cè)面為形狀相同的弧面，第一側(cè)面和第二側(cè)面的一側(cè)相交形成三棱柱的一條棱，第一側(cè)面和第二側(cè)面的另一側(cè)形成三棱柱的兩條棱，第一端面和第二端面為形狀相同的平面，所述平面均由兩條形狀相同的弧線和一條直線圍成，盒蓋(3-2)為矩形平板，盒蓋與三棱柱盒體組合后形成三棱柱的第三側(cè)面，盒蓋上設置有釋放氣流示蹤劑的微孔(3-2-1)，盒蓋(3-2)與盒體的組合方式為卡接； 所述測槽靠進水端的前側(cè)壁(2-1)和后側(cè)壁(2-2)上部分別設置有第一銷軸(24)、第二銷軸(25，第一銷軸和第二銷軸的中心線在同一直線上，氣流示蹤劑釋放盒(3)在測槽上部的安裝方式:組成盒體(3-1)的第一端面(3-1-3)和第二端面(3-1-4)分別與位于測槽前側(cè)壁(2-1)、后側(cè)壁(2-2)上的第一銷軸、第二銷軸可轉(zhuǎn)動式連接，第一銷軸和第二銷軸上均設置有限位卡(26)，當氣流示蹤劑釋放盒(3)調(diào)整到測試時所需的位置時，通過限位卡定位；氣流示蹤劑釋放盒(3)測試時所需的位置是:組成盒體(3-1)的第一側(cè)面、第二側(cè)面相交形成的棱朝向氣流方向的相反方向，盒蓋(3-2)垂直于氣流方向。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，其特征在于還包括水流流量計(20)，所述水流流量計安裝在第一連接管(5)的平直段上。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，其特征在于制作測槽(2)的透光材料為有機玻璃，測槽的前側(cè)壁(2-1)、后側(cè)壁(2-2)和底壁(2-3)設置有鋼材焊接而成的護欄(21)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，其特征在于制作測槽(2)的透光材料為有機玻璃，測槽的前側(cè)壁(2-1)、后側(cè)壁(2-2)和底壁(2-3)設置有鋼材焊接而成的護欄(21)。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，其特征在于形成水流整流器(I)的弧形管內(nèi)設置有弧形導流板(1-1)。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，其特征在于形成水流整流器(I)的弧形管內(nèi)設置有弧形導流板(1-1)。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，其特征在于形成水流整流器(I)的弧形管內(nèi)設置有弧形導流板(1-1)。9.一種水氣兩相分層流流場同步測量的方法，其特征在于使用權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述水氣兩相分層流流場同步測量系統(tǒng)，步驟依次如下: (1)向集水池(9)中注水至所需水量，然后打開控制閥(17)和離心栗(18)，使水流循環(huán)流過水流整流器(1)、測槽(2)、集水池(9)，形成穩(wěn)定的水氣兩相分層流； (2)向集水池中添加水流示蹤粒子(33)，并開啟攪拌器(19)將水流示蹤粒子撒播均勻，同時把形成氣流示蹤劑(22)的物質(zhì)放置在氣流示蹤劑釋放盒(3)中； (3)在測槽中確定測量段(4)，然后開啟激光器(14)并調(diào)節(jié)柱透鏡(15)和反射鏡(16)，使形成的片狀光束垂直投射到測量段處測槽底壁的中線(32)上； (4)操作計算機(12)，控制高速攝像機(13)采集水氣兩相交界面附近的水流示蹤粒子圖像和氣流不蹤劑圖像； (5)操作計算機(12)，對高速攝像機所采集的圖像進行降噪、二值化處理，然后對拍攝時間相差A t的兩幅圖像進行互相關(guān)運算分析，計算出氣流示蹤劑和水流示蹤粒子的流速，所述水流示蹤粒子的流速即為水流的流速，氣流示蹤劑的流速即為氣流的流速。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述水氣兩相分層流流場同步測量的方法，其特征在于所述水流示蹤粒子(33)為密度接近水密度的空心玻璃微珠，所述形成氣流示蹤劑(22)的物質(zhì)為固態(tài)二氧化碳。
【文檔編號】G01P5/22GK105866466SQ201610203340
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】張法星, 鄧軍, 許唯臨, 劉善均, 王韋, 張建民, 田忠
【申請人】四川大學