專利名稱：：一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及流場特性的測試技術(shù)，尤其涉及一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
：微尺度流體力學是介于經(jīng)典宏觀流體力學與微觀力學之間的研究領(lǐng)域，主要研究特征尺度在毫米至微米范圍內(nèi)的流體流動規(guī)律。微尺度下迷宮型流道由于其邊界曲折能使流體發(fā)生紊亂，從而減小壓力對流量的敏感性這一特性而得到廣泛應(yīng)用。迷宮型流道滴頭就是一典型例子，其流道內(nèi)流場特性的測量對微流體特性的研究及高抗堵塞性能滴頭的設(shè)計都有很大作用，然而由于滴頭流道狹窄且邊界復(fù)雜，原型試驗在技術(shù)(常規(guī)滴灌管帶不透明)和經(jīng)濟上都比較困難，常規(guī)手段難以滿足其流場測試要求。目前存在利用計算流體力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)分析方法對滴頭迷宮流道內(nèi)部水流流動特性進行探索性研究，但在進行CFD數(shù)值模擬時對層流/湍流模型均有釆用，然而滴頭內(nèi)部流體流動是為層流抑或湍流卻尚待進一步論證?，F(xiàn)有技術(shù)中另有研究人員通過構(gòu)建滴頭流道的放大模型，并利用激光多普勒測速儀對放大模型內(nèi)部的流體流動進行觀測，但該研究僅屬于單點測量技術(shù)，難以實現(xiàn)對流場的全場、瞬態(tài)測量，同時該研究利用放大模型也沒有考慮滴頭流道的滴頭流道邊界層相似問題。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)不能實現(xiàn)滴頭迷宮流道內(nèi)流場全場測量的問題。(二)技術(shù)方案為了達到上述目的，本發(fā)明釆取以下方案一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括滴頭模型裝置，用于模擬滴頭的迷宮流道形狀；粒子布撒裝置，用于在所述滴頭模型裝置中布撒跟隨流場運動的示蹤熒光粒子；激光發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生激光光源，激發(fā)所述示蹤熒光粒子成像;圖像釆集裝置，用于釆集所述示蹤熒光粒子成像；圖像處理裝置，與所述圖像采集裝置連接，對所述成像進行處理分析以獲取流場特性參數(shù)分布。其中，所述系統(tǒng)還包括同步控制裝置，用于控制所述激光發(fā)生裝置和所述圖像釆集裝置的同步運行。其中，所述圖像采集裝置包括顯微鏡物鏡、自制聯(lián)接件及CCD(ChargeCoupledDevice,電荷耦合器件)相機；所述CCD相機通過自制聯(lián)接件與顯微鏡物鏡聯(lián)接，根據(jù)拍攝區(qū)域的大小，對所述滴頭模型裝置中的示蹤熒光粒子成像進行分段采集。其中，所述圖像處理裝置包括測試處理單元，對所述圖像釆集裝置釆集的示蹤熒光粒子成像進行處理，獲取分段測試結(jié)果；數(shù)據(jù)拼接單元，通過軟件對所述分段測試結(jié)果進行拼接，獲取全場測試結(jié)果。其中，所述滴頭模型裝置包括.-不銹鋼板，具有采用數(shù)控電火花線切割技術(shù)加工的滴頭迷宮流道形狀；有機玻璃擋板，設(shè)置于加工后的所述不銹鋼板兩側(cè)。其中，所述示蹤熒光粒子的材料選用聚苯乙烯，布撒濃度為1%-2%;并且利用綠色激光激發(fā)，激發(fā)熒光波段為620nm。一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試方法，所述方法包括以下步驟A:對滴頭迷宮流道的幾何參數(shù)進行測量；B:根據(jù)所述測量的結(jié)果制備滴頭平面模型；C:在所述滴頭平面模型中布撒示蹤熒光粒子跟隨流場運動，利用激光激發(fā)所述示蹤熒光粒子成像，對所述成像進行釆集；D:根據(jù)所述示蹤熒光粒子的成像計算得到流場特性參數(shù)分布。其中，步驟A進一步包括Al:挑選至少一個滴頭進行縱向剖面測量，選取流道深度、流道寬度的最小值作為流道的深度值、第一寬度值；A2:利用數(shù)碼相機對流道壓痕拍照成圖，并作為底圖在計算機輔助設(shè)計CAD工具上描繪完整流道；A3:利用所述CAD工具的測量功能在描繪的流道上量測流道的第二寬度值，根據(jù)所述第二寬度值與第一寬度值的比值計算獲取流道所有幾何參數(shù)。其中，步驟B進一步包括Bl:釆用數(shù)控電火花線切割技術(shù)在不銹鋼板上加工滴頭流道，所述不銹鋼板的厚度為根據(jù)步驟A測量得到的所述滴頭迷宮流道的深度；B2:在所述不銹鋼板兩側(cè)設(shè)置有機玻璃擋板，并將所述有機玻璃擋板與所述不銹鋼板進行粘接。其中，步驟D進一步包括Dl:釆用濾波片濾色以去除所述滴頭平面模型表面噪聲干擾，并分段采集粒子成像；D2:對所述分段釆集的粒子成像進行處理分析，得到分單元測試結(jié)果；D3:通過軟件對所述分單元測試結(jié)果進行拼接實現(xiàn)全場測量，以獲取流場特性參數(shù)分布。(三)有益效果本發(fā)明有如下優(yōu)點其利用精密讀數(shù)顯微鏡與CAD技術(shù)相結(jié)合的測量方式量測流道幾何參數(shù)，并釆用不銹鋼電火花線切割技術(shù)制備滴頭迷宮流道平面模型；在此基礎(chǔ)上根據(jù)粒子圖像測速原理和方法，利用自行開發(fā)的示蹤熒光粒子構(gòu)建滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)，并釆用顯微鏡物鏡改裝常規(guī)CCD相機，充分發(fā)揮CCD相機與電子顯微鏡的特色，實現(xiàn)拍攝區(qū)域與數(shù)字圖像分辨率的和諧統(tǒng)一；最后通過軟件對觀測的流動平均場進行分單元測試結(jié)果的拼接，實現(xiàn)了滴頭迷宮流道流場特性的全場測量。圖l是本發(fā)明滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試方法流程圖；圖3是本發(fā)明實施例的滴頭迷宮流道形狀圖；圖4a-4b是本發(fā)明實施例的測試結(jié)果圖。具體實施方式以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖l所示，為本發(fā)明滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)示意圖，包括滴頭模型裝置110，用于模擬滴頭的迷宮流道形狀；粒子布撒裝置120,用于在滴頭模型裝置110中布撒跟隨流場運動的示蹤熒光粒子；激光發(fā)生裝置130，用于產(chǎn)生激光光源，激發(fā)示蹤熒光粒子成像；圖像釆集裝置140,用于釆集示蹤熒光粒子成像；圖像處理裝置150,與圖像釆集裝置140連接，對成像進行處理分析以獲取流場特性參數(shù)分布；同步控制裝置160,用于控制激光發(fā)生裝置130和圖像釆集裝置140的同步運行。為進行滴頭迷宮流道內(nèi)的流動測試，關(guān)鍵需要解決塑料滴頭模型本身的圓柱型以及不透明問題。本發(fā)明測試系統(tǒng)實施例中，釆用不銹鋼電火花線切割技術(shù)構(gòu)建滴頭模型裝置。首先在不銹鋼板111上根據(jù)預(yù)先測量獲取的滴頭迷宮流道幾何參數(shù)釆用數(shù)控電火花線切割技術(shù)加工滴頭流道，并在加工后的不銹鋼板111兩側(cè)設(shè)置有機玻璃擋板112、113以制備滴頭模型裝置IIO。關(guān)于粒子布撒裝置120對示蹤熒光粒子的釆用，目前國外已有科研院所開發(fā)了示蹤粒子，但由于在平面模型制作過程中難免會有強力膠或者劃痕出現(xiàn)，從而導致拍攝圖像出現(xiàn)噪聲，影響流速測量精度。因而本發(fā)明測試系統(tǒng)需要引入平面激光誘導熒光技術(shù)，示蹤釆用熒光粒子，利用濾波片濾掉熒光以外的噪聲。國外已有公司成功地開發(fā)相應(yīng)的熒光粒子，但價格極為昂貴，只有在微管道流體流動研究中才有可能釆用；另外其產(chǎn)品也多為空心玻璃球，在進行滴頭流道流動測試過程中容易被水泵葉輪擊碎而導致顆粒破壞喪失熒光特性，而國內(nèi)則還沒有產(chǎn)品問世?；谑聚櫫Ｗ拥母S性良好，大小合適，散射或熒光效應(yīng)強度的要求，本發(fā)明測試系統(tǒng)的示蹤熒光粒子試驗材料選用聚苯乙烯，密度約為1.02Kg/m3，與水接近，稍有擾動就能夠完全離底懸浮，其平均粒徑約在10nm-15iam左右。示蹤熒光粒子對于照射其上的激光有很好的散射效應(yīng)，其利用綠色激光激發(fā)，激發(fā)熒光波段在620nm。在通過濾波片濾色后，圖像質(zhì)量較好，去除了全部平面模型表面噪聲干擾。另外，通過試驗得到對于熒光粒子濃度在1%-2%較為合適。關(guān)于圖像采集裝置140及圖像處理裝置150，一般圖像測速法的圖像釆集處理部分主要由跨幀CCD相機、濾波片、圖像釆集板和計算機組成，而對于面向微管流動測試則通常是在CCD相機前加設(shè)電子顯微鏡。本發(fā)明的測試系統(tǒng)實施例中圖像釆集裝置140部分選用KodakMEGAPLUSII(分辨率1600x1200)CCD相機143。由于滴頭流道尺寸一般在0.5mm-1.2mm之間，齒尖距通常在3.0mm-5.0mm之間，屬于介于微尺度(ljim-lmm)和常規(guī)尺度(>lmm)之間的臨界尺度的流體流動問題，所以當僅采用CCD相機進行測試時，拍攝區(qū)域會因過大導致圖像質(zhì)量較低同時使測試精度極低，而當添加電子顯微鏡進行測試時，拍攝的區(qū)域則會過小，一般只能拍攝齒尖附近0.5mmx0.5mm的范圍，對于流道流動特征無法顯示。本發(fā)明的測試系統(tǒng)實施例中圖像釆集裝置140部分則對CCD相機143進行改裝，將相機鏡頭換接成顯微鏡物鏡141(規(guī)格4倍)，并利用自制聯(lián)接件142進行聯(lián)接，充分發(fā)揮CCD相機與電子顯微鏡的特色，實現(xiàn)拍攝區(qū)域(4mmx4mm)與數(shù)字圖像分辨率的和諧統(tǒng)一。同時，在圖像處理裝置150部分,進一步設(shè)置測試處理單元151及數(shù)據(jù)拼接單元152，其中測試處理單元151對圖像釆集裝置140釆集的粒子成像進行處理以獲取分段測試結(jié)果，其具體通過圖像分析處理軟件實現(xiàn)，前期主要使用MicroVecVersion2.0進行速度計算處理和顯示，后期則使用Tecplot9.0軟件進行渦量場、等速度線、流線以及三維等高圖的顯示；而數(shù)據(jù)拼接單元152則通過軟件對分段測試結(jié)果進行拼接獲取全場測試結(jié)果。關(guān)于激光發(fā)生裝置130部分，由于激光器的能量高、方向性好、穩(wěn)定性好、單色性和脈沖控制等優(yōu)點，其已作為照明光源廣泛應(yīng)用于數(shù)字式粒子圖像測速領(lǐng)域中。本發(fā)明的測試系統(tǒng)實施例中使用的雙脈沖激光器是LABEST公司的調(diào)QNd:YAG激光器，單臺激光器的各項主要技術(shù)參數(shù)如下工作頻率10Hz、波長532nm、激光能量50mJ,脈沖寬度6-8ns,發(fā)散角0.6mrads、超高斯光斑模式、雙脈沖時間間隔小于1ns。本發(fā)明實施例還提出一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試方法，如圖2所示，包括以下步驟S201、隨機挑選至少一個滴頭進行縱向剖面測量，選取流道深度、流道寬度的最小值作為流道的深度值、第一寬度值。以挑選3個滴頭測量流道幾何參數(shù)為例，分別取三個滴頭的流道寬度、流道深度的最小值。將滴灌管縱向剖開，深度使用裸露的滴頭截片測量，寬度則在PE管內(nèi)壁流道壓痕上測量，具體可選用上海光學儀器廠生產(chǎn)的JC-10讀數(shù)顯微鏡(測量精度±0.01mm，量程4mm)進行觀測。下表1迷宮式流道滴頭的基本特性表為實驗中量測得的一組結(jié)果，其中，流道長度為水流通過路徑中心線的長度。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>5202、利用數(shù)碼相機對流道壓痕拍照成圖，并作為底圖在計算機輔助設(shè)計CAD工具上描繪完整流道。其中，CAD工具可選用業(yè)界常用的AutoCAD2004，本實施例中描繪的流道形狀如圖3所示。5203、利用CAD工具的測量功能量測流道的第二寬度值，根據(jù)第二寬度值與第一寬度值的比值計算獲取流道所有幾何參數(shù)。5204、釆用數(shù)控電火花線切割技術(shù)在不銹鋼板上加工滴頭流道，不銹鋼板的厚度為根據(jù)步驟S201測量得到的滴頭迷宮流道的深度。5205、在不銹鋼板兩側(cè)設(shè)置有機玻璃擋板，并將有機玻璃擋板與不銹鋼板進行粘接。在流道鋼板兩側(cè)設(shè)置有機玻璃擋板制備而成的滴頭平面模型，可解決滴頭本身的圓柱型以及不透明問題，鋼板與有機玻璃擋板之間可用強力膠水粘結(jié)，使水流在流道中流過以測定設(shè)計流道的水力性能，流道的進口釆用綠源公司生產(chǎn)的微管接頭(直徑為cj)4mm，釆用較大的進口尺寸可以減少進口段對流道壓力的影響)。5206、在滴頭平面模型中通過布撒示蹤熒光粒子跟隨流場運動，ii拍攝粒子成像。為確保測量精度，本發(fā)明滴頭迷宮流道流體特性的測試方法需要引入平面激光誘導熒光技術(shù)。國外已有公司成功開發(fā)出相應(yīng)的熒光粒子，但其產(chǎn)品多為空心玻璃球，在測試過程中容易被水泵葉輪擊碎而導致顆粒破壞喪失熒光特性，并且其價格極為昂貴，只有在微管道流體流動研究中才有可能釆用，而國內(nèi)則還沒有相關(guān)產(chǎn)品問世?；谑聚櫫Ｗ拥母S性良好、大小合適、散射或熒光效應(yīng)強度的要求，本發(fā)明測試方法中示蹤熒光粒子的材料選用聚苯乙烯，密度約為1.02Kg/m3,與水接近，稍有擾動就能夠完全離底懸浮，平均粒徑約在10ym-15jam左右。粒子利用綠色激光激發(fā)，激發(fā)熒光波段在620nm，對于照射其上的激光有很好的散射效應(yīng)，另外經(jīng)過試驗對于熒光粒子濃度為1%-2%較為合適。5207、采用濾波片濾色去除所述滴頭平面模型表面噪聲干擾，并分段采集粒子成像。5208、對分段釆集的粒子成像進行處理分析計算得到分單元測試結(jié)果。5209、通過軟件對分單元測試結(jié)果進行拼接實現(xiàn)全場測量，以獲取流場特性參數(shù)分布。以滴頭迷宮流道的流速測試為例，可分別選取滴頭流道在1.0Mpa、5.0Mpa、10.0Mpa、15.0Mpa四種壓力條件下進行典型流道近中心截面流速分布的測試，后期借助Tecplot9.0軟件對流速測試結(jié)果進行處理，對分段測試結(jié)果拼接，圖4a至圖4b分別為1.0-15.0Mpa四種壓力條件下的測試結(jié)果圖。由實驗結(jié)果可知，在四種壓力條件下迷宮流道內(nèi)部流體流動都呈復(fù)雜的紊流狀，在1.0-15.0Mpa壓力范圍內(nèi)都為紊流，說明在滴頭工作壓力范圍內(nèi)U.0-15.0Mpa)迷宮流道內(nèi)部流體流動并未存在流態(tài)轉(zhuǎn)捩，因而在進行CFD數(shù)值模擬時都可以釆用紊流模型。同時，隨著壓力的增加，迷宮流道內(nèi)部流速增加，隨著壓力的增加流速遞增的幅度也越來越小；該迷宮流道在整個單元段內(nèi)一定數(shù)量的漩渦，在四種壓力條件下(個別高流速點除外)流速分布特征相似。以上為本發(fā)明的最佳實施方式，依據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入本發(fā)明保護的范圍。權(quán)利要求1.一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括滴頭模型裝置，用于模擬滴頭的迷宮流道形狀；粒子布撒裝置，用于在所述滴頭模型裝置中布撒跟隨流場運動的示蹤熒光粒子；激光發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生激光光源，激發(fā)所述示蹤熒光粒子成像；圖像采集裝置，用于采集所述示蹤熒光粒子成像；圖像處理裝置，與所述圖像采集裝置連接，對所述成像進行處理分析以獲取流場特性參數(shù)分布。2、如權(quán)利要求l所述滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括同步控制裝置，用于控制所述激光發(fā)生裝置和所述圖像釆集裝置的同步運行。3、如權(quán)利要求1所述滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像釆集裝置包括顯微鏡物鏡、自制聯(lián)接件及電荷耦合器件CCD相機；所述CCD相機通過自制聯(lián)接件與顯微鏡物鏡聯(lián)接，根據(jù)拍攝區(qū)域的大小，對所述滴頭模型裝置中的示蹤熒光粒子成像進行分段釆集。4、如權(quán)利要求l或3所述滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理裝置包括測試處理單元，對所述圖像釆集裝置釆集的示蹤熒光粒子成像進行處理，獲取分段測試結(jié)果；數(shù)據(jù)拼接單元，通過軟件對所述分段測試結(jié)果進行拼接，獲取全場測試結(jié)果。5、如權(quán)利要求1所述滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述滴頭模型裝置包括不銹鋼板，具有釆用數(shù)控電火花線切割技術(shù)加工的滴頭迷宮流道形狀；有機玻璃擋板，設(shè)置于加工后的所述不銹鋼板兩側(cè)。6、如權(quán)利要求1所述滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述示蹤熒光粒子的材料選用聚苯乙烯，布撒濃度為1%-2%;并且利用綠色激光激發(fā)，激發(fā)熒光波段為620nm。7、一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟A:對滴頭迷宮流道的幾何參數(shù)進行測量；B:根據(jù)所述測量的結(jié)果制備滴頭平面模型；C:在所述滴頭平面模型中布撒示蹤熒光粒子跟隨流場運動，利用激光激發(fā)所述示蹤熒光粒子成像，對所述成像進行采集；D:根據(jù)所述示蹤熒光粒子的成像計算得到流場特性參數(shù)分布。8、如權(quán)利要求7所述滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試方法，其特征在于，步驟A進一步包括Al:挑選至少一個滴頭進行縱向剖面測量，選取流道深度、流道寬度的最小值作為流道的深度值、第一寬度值；A2:利用數(shù)碼相機對流道壓痕拍照成圖，并作為底圖在計算機輔助設(shè)計CAD工具上描繪完整流道；A3:利用所述CAD工具的測量功能在描繪的流道上量測流道的第二寬度值，根據(jù)所述第二寬度值與第一寬度值的比值計算獲取流道所有幾何參數(shù)。9、如權(quán)利要求7所述滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試方法，其特征在于，步驟B進一步包括Bl:釆用數(shù)控電火花線切割技術(shù)在不銹鋼板上加工滴頭流道，所述不銹鋼板的厚度為根據(jù)步驟A測量得到的所述滴頭迷宮流道的深3度；B2:在所述不銹鋼板兩側(cè)設(shè)置有機玻璃擋板，并將所述有機玻璃擋板與所述不銹鋼板進行粘接。10、如權(quán)利要求7所述滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試方法，其特征在于，步驟D進一步包括Dl:釆用濾波片濾色以去除所述滴頭平面模型表面噪聲干擾，并分段釆集粒子成像；D2:對所述分段釆集的粒子成像進行處理分析，得到分單元測試結(jié)果;D3:通過軟件對所述分單元測試結(jié)果進行拼接實現(xiàn)全場測量，以獲取流場特性參數(shù)分布。全文摘要本發(fā)明涉及一種滴頭迷宮流道內(nèi)流場特性的測試系統(tǒng)及方法，其根據(jù)粒子圖像測速原理，利用自行開發(fā)的示蹤熒光粒子在滴頭平面模型中構(gòu)建流場特性的測試系統(tǒng)，同時采用顯微鏡物鏡改裝常規(guī)CCD相機，充分發(fā)揮CCD相機與電子顯微鏡的特色，實現(xiàn)拍攝區(qū)域與數(shù)字圖像分辨率的和諧統(tǒng)一；并通過軟件對觀測的流動平均場進行分單元測試結(jié)果的拼接，實現(xiàn)了滴頭迷宮流道流場特性的全場測量。文檔編號G01M10/00GK101251434SQ20081010330公開日2008年8月27日申請日期2008年4月2日優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日發(fā)明者任樹梅,劉洪祿,徐飛鵬,李云開,楊培嶺申請人:中國農(nóng)業(yè)大學