一種使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)量水沙兩相流流場(chǎng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）測(cè)量水沙兩相流流場(chǎng)的方法，其主要用于水沙兩相流流體試驗(yàn)內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量，該方法使用高透光性的玻璃微珠代替不透明或透光性不良的泥沙顆粒，與水或其他同玻璃折射率相近且透光性良好的液體混合形成固液兩相流，將配制好的固液兩相流用于流體試驗(yàn)，并使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）測(cè)量?jī)?nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)。本發(fā)明的有益結(jié)果是：在水沙兩相流試驗(yàn)中提高了粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）拍攝圖像清晰度，增強(qiáng)了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了較高濃度水沙兩相流內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量。
【專利說(shuō)明】一種使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)量水沙兩相流流場(chǎng)的方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于流體試驗(yàn)領(lǐng)域的一種使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)進(jìn)行流體速度場(chǎng)測(cè)量的方法，特別是涉及對(duì)水沙兩相流內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)的測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0003]粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry,下文均簡(jiǎn)稱為PIV),是七十年代末發(fā)展起來(lái)的一種瞬態(tài)、全流場(chǎng)、無(wú)接觸的流體圖像測(cè)速技術(shù)。其基本原理為:使用激光片光源將流體中需要觀察的平面照亮，再由高速相機(jī)連續(xù)拍攝兩張觀察平面的圖像，根據(jù)兩張圖像中微小顆粒(流體中的雜質(zhì)、氣泡或人為投放的示蹤粒子)的位置變化和拍攝間隔時(shí)間得到觀察平面的瞬時(shí)流動(dòng)速度場(chǎng)(默認(rèn)為微小顆粒與流體運(yùn)動(dòng)一致)。
[0004]由固體和液體組成的兩相流是在水利建設(shè)、工業(yè)輸送和環(huán)境科學(xué)中經(jīng)常遇到的一種流體。固液兩相流運(yùn)動(dòng)理論和應(yīng)用已得到了廣泛的關(guān)注與重視，水沙兩相流和渾水異重流更是流體動(dòng)力學(xué)中的研究熱點(diǎn)。挾沙水流運(yùn)動(dòng)特性研究包括泥沙濃度分布、流速分布、紊動(dòng)特性等方面的內(nèi)容，是河流泥沙研究的基礎(chǔ)課題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用激光流速儀(LDV)、超聲多普勒流速儀(ADV)研究了水流攜帶泥沙以后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以上方法都是測(cè)量流場(chǎng)中單一空間點(diǎn)的流動(dòng)特性，缺乏實(shí)時(shí)流場(chǎng)全斷面測(cè)定資料。而實(shí)時(shí)全斷面流場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量對(duì)于驗(yàn)證水沙兩相流數(shù)值計(jì)算模型、渾水異重流運(yùn)動(dòng)理論的完善都有重要意義。
[0005]作為一種較成熟的流體測(cè)速手段，PIV技術(shù)早已被應(yīng)用在各種流體試驗(yàn)中，但由于對(duì)光學(xué)條件要求較高，在對(duì)于水沙兩相流(如泥沙異重流渾水部分)流場(chǎng)測(cè)量等方面使用受到很大的影響。激光片光源射入到水沙兩相流中光強(qiáng)會(huì)很快衰減，造成測(cè)量平面亮度差異大；同時(shí)渾水中透光性較差，測(cè)量平面被照亮后反射光衰減也很快，拍攝到的粒子圖像效果很差(如圖1、2所示)。所以通常只有低密度混合相才能使用PIV技術(shù)測(cè)量?jī)?nèi)部流場(chǎng)，對(duì)于高含沙渾水異重流用PIV技術(shù)測(cè)量時(shí)只能觀測(cè)到異重流周邊清水的流場(chǎng)，渾水中實(shí)時(shí)平面流場(chǎng)測(cè)量還很困難。因此PIV技術(shù)在水沙兩相流中的應(yīng)用受到了很大限制。
[0006]目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有較成功的使用PIV技術(shù)觀測(cè)水沙兩相流內(nèi)部流場(chǎng)的試驗(yàn)方法。本發(fā)明提出一種使用PIV技術(shù)觀測(cè)水沙兩相流內(nèi)部流場(chǎng)的試驗(yàn)方法，使較高濃度水沙兩相流內(nèi)部流場(chǎng)觀測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是給出一種使用PIV技術(shù)觀測(cè)水沙兩相流內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)的試驗(yàn)測(cè)量方法，使較高濃度水沙兩相流內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)瞬時(shí)全場(chǎng)觀測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
1.選取替換玻璃微珠與試驗(yàn)液體:對(duì)試驗(yàn)原有泥沙進(jìn)行顆粒分析，并按照原有泥沙的級(jí)配配制替代用玻璃微珠；將原有泥沙與水按試驗(yàn)要求配制成混合液并進(jìn)行沉降試驗(yàn)，觀察混合液密度變化過(guò)程曲線；使用替換玻璃微珠與水進(jìn)行上述沉降試驗(yàn)，觀察混合液密度變化過(guò)程曲線；若兩組密度變化過(guò)程曲線相近，即認(rèn)為泥沙與同級(jí)配的玻璃微珠沉降過(guò)程相近，可以使用替換玻璃微珠與水進(jìn)行兩相流試驗(yàn)；若兩組密度變化過(guò)程曲線差異較大，可使用其他液體替代水重新進(jìn)行沉降試驗(yàn)并確定試驗(yàn)用流體(替代液體推薦使用糖的水溶液)。
[0009]2.PIV系統(tǒng)測(cè)量前標(biāo)定:在試驗(yàn)流體中放置標(biāo)定板，運(yùn)行PIV系統(tǒng)采集標(biāo)定板圖像，根據(jù)標(biāo)定板圖像確定采集圖像幾何尺寸，形成標(biāo)定數(shù)據(jù)文件。
[0010]3.流場(chǎng)測(cè)量:將試驗(yàn)流體與玻璃微珠均勻混合，運(yùn)行試驗(yàn)，使用PIV系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，得到兩相流內(nèi)部流場(chǎng)。
[0011]為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，所述兩相流中固相玻璃微珠的質(zhì)量濃度范圍在2%以內(nèi)。若玻璃微珠含量過(guò)高，其被激光照亮后形成的光斑將連成片，無(wú)法識(shí)別單個(gè)顆粒。
[0012]本發(fā)明所述的測(cè)量方法只適用于僅含有懸沙的水沙兩相流，對(duì)于存在懸沙與床沙交換的水沙兩相流是否適用并未驗(yàn)證。
[0013]本發(fā)明的有益結(jié)果是:本發(fā)明使用透光性好、與水折射率相近、與泥沙密度相近的玻璃微珠代替泥沙進(jìn)行水沙兩相流試驗(yàn)，大大提高了混合流體的透光性，使得PIV系統(tǒng)可以得到高質(zhì)量的兩相流內(nèi)部圖像(如圖3)，并據(jù)此得出流動(dòng)速度場(chǎng)(如圖4)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為使用PIV系統(tǒng)測(cè)量質(zhì)量濃度為0.125%的水沙兩相強(qiáng)迫渦流，左相機(jī)第一幀粒子圖像；
圖2為使用PIV系統(tǒng)分析得到的質(zhì)量濃度為0.125%的水沙兩相強(qiáng)迫渦流內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)(由于粒子圖像質(zhì)量很差，分析得到水沙兩相流動(dòng)速度場(chǎng)與實(shí)際速度場(chǎng)不符)；
圖3為本發(fā)明使用PIV系統(tǒng)測(cè)量質(zhì)量濃度為0.25%的水一玻璃微珠兩相強(qiáng)迫渦流，左相機(jī)第一幀粒子圖像；
圖4為本發(fā)明使用PIV系統(tǒng)分析得到的質(zhì)量濃度為0.25%的水一玻璃微珠兩相強(qiáng)迫渦流內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)；

【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例1:對(duì)試驗(yàn)中要測(cè)量水沙兩相流中的泥沙進(jìn)行顆粒分析，并按照泥沙的級(jí)配配制替代用玻璃微珠；對(duì)試驗(yàn)水沙兩相流體進(jìn)行沉降試驗(yàn)，觀察密度變化過(guò)程曲線；使用替換玻璃微珠與水按照試驗(yàn)水沙兩相流質(zhì)量濃度配制成混合液，并進(jìn)行上述沉降試驗(yàn)，觀察混合液密度變化過(guò)程曲線；若兩組密度變化過(guò)程曲線相近，即認(rèn)為泥沙與同級(jí)配的玻璃微珠沉降過(guò)程相近，可以使用替換玻璃微珠與水進(jìn)行兩相流試驗(yàn)；若兩組密度變化過(guò)程曲線差異較大，可使用其他液體替代水重新進(jìn)行沉降試驗(yàn)并確定試驗(yàn)用流體(替代液體推薦使用糖的水溶液)。
[0016]在試驗(yàn)流體中放直標(biāo)定板，運(yùn)彳丁 PIV系統(tǒng)米集標(biāo)定板圖像，根據(jù)標(biāo)定板圖像確定采集圖像幾何尺寸，形成標(biāo)定數(shù)據(jù)文件。
[0017]將試驗(yàn)流體與玻璃微珠均勻混合，運(yùn)行試驗(yàn)，使用PIV系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，得到兩相流內(nèi)部流場(chǎng)。
【權(quán)利要求】
1.一種使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)量水沙兩相流流場(chǎng)的方法，其特征在于使用玻璃微珠替代泥沙顆粒，與水或其他液體混合形成固液兩相流用于流體試驗(yàn)，使用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)測(cè)量其內(nèi)部流動(dòng)速度場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述玻璃微珠，其特征在于透明度高，折射率為1.5(Tl.52，圓球率^ 95%，密度、粒徑、級(jí)配與流體試驗(yàn)中要替代的泥沙顆粒相近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的其他液體，其特征在于透明度高，折射率與玻璃相近(折射率為1.33^1.50)，密度和粘滯性與水相近。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述玻璃微珠與水或其他液體混合形成的固液兩相流，其玻璃微珠質(zhì)量濃度應(yīng)在2%以內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩相流，其特征在于兩相流中的固相僅為懸浮顆粒，與在床顆粒并無(wú)交換。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK104236847SQ201310224062
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月7日
【發(fā)明者】陳鉑 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙理工大學(xué)