本專利涉及流體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種監(jiān)測(cè)高速氣固兩相流流場(chǎng)特性的裝置。

背景技術(shù)：

低熱固相反應(yīng)合成技術(shù)是近年來快速發(fā)展的材料制備新技術(shù)，其本質(zhì)特征在于室溫或低溫下的能量傳遞，即通過機(jī)械化學(xué)研磨等方式，向粉末反應(yīng)劑體系中引入機(jī)械能，并使之轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)體系的化學(xué)能，從而實(shí)現(xiàn)室溫下的固相合成。本發(fā)明申請(qǐng)人研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，以及在流體力學(xué)方面的雄厚研究基礎(chǔ)，創(chuàng)造性得將超聲速流體技術(shù)與固相化學(xué)反應(yīng)合成技術(shù)結(jié)合起來，是在傳統(tǒng)的超聲速氣流碰撞技術(shù)上的飛躍性變革，改變了一直以來超聲速氣流碰撞只能用于物質(zhì)破碎和細(xì)化的認(rèn)識(shí)，開啟了一種全新的固-固反應(yīng)、氣-固低熱反應(yīng)高效合成技術(shù)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明利用超聲速氣流加速和碰撞技術(shù)實(shí)現(xiàn)凝聚態(tài)物質(zhì)低熱固相合成是可行的，為了進(jìn)一步研究超聲速氣流加速低熱固相反應(yīng)的機(jī)理，擴(kuò)展超聲速氣流加速低熱固相反應(yīng)的適用條件和范圍，需要獲得高速氣固兩相流的流體力學(xué)特性。當(dāng)前，非接觸式的光學(xué)監(jiān)測(cè)方法是常用的監(jiān)測(cè)流體特性的方法。比如專利cn105004466a公開了采用基于粒子圖像測(cè)速(piv)原理的高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力監(jiān)測(cè)方法及監(jiān)測(cè)裝置，用于在空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)中通過非接觸光學(xué)方法，快速監(jiān)測(cè)模型表面氣動(dòng)摩擦阻力的一維分布，該專利披露的技術(shù)方案目的是為了獲得風(fēng)洞中氣流的流場(chǎng)特性，并未涉及本發(fā)明中的氣固兩相流同時(shí)監(jiān)測(cè)的問題。

在本發(fā)明的低熱固相反應(yīng)體系中，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法不能得到高可信度的結(jié)果，原因在于：一方面，本發(fā)明所說的超聲速氣流加速低熱固相反應(yīng)體系是利用超聲速氣流最終實(shí)現(xiàn)新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)合成；另一方面，超聲速氣流加速低熱固相反應(yīng)屬于循環(huán)反應(yīng)，反應(yīng)物在裝置中循環(huán)運(yùn)動(dòng)、撞靶、發(fā)生反應(yīng)，固相組分的粒徑是不斷變化的，因此，現(xiàn)有的試驗(yàn)方案無法直接用于監(jiān)測(cè)低熱固相反應(yīng)裝置中的氣固兩相運(yùn)動(dòng)速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述監(jiān)測(cè)低熱固相反應(yīng)裝置中的氣固兩相運(yùn)動(dòng)速度存在的問題，本發(fā)明提出了一種監(jiān)測(cè)高速氣固兩相流流場(chǎng)特性的裝置。

一種監(jiān)測(cè)高速氣固兩相流流場(chǎng)特性的裝置，在高速氣固兩相流通道側(cè)壁對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)光學(xué)窗口，對(duì)應(yīng)兩個(gè)光學(xué)窗口分別設(shè)置一號(hào)ccd相機(jī)和二號(hào)ccd相機(jī)，同時(shí)在光學(xué)窗口外部設(shè)置脈沖激光發(fā)射器，高速氣固兩相流通道的前端設(shè)置示蹤粒子發(fā)射器，示蹤粒子發(fā)射器與脈沖激光發(fā)射器、ccd相機(jī)、同步控制器、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)連接。

所述示蹤粒子發(fā)射器將示蹤粒子送入高速氣固兩相流通道內(nèi)，與通道內(nèi)的高速氣固兩相流混合并跟隨氣流運(yùn)動(dòng)。所述示蹤粒子為經(jīng)過熒光劑處理后的直徑為1μm左右的癸二酸二異辛酯(dehs)霧化粒子。

一號(hào)ccd相機(jī)和二號(hào)ccd相機(jī)鏡頭前分別安裝對(duì)應(yīng)的帶通濾光鏡，兩個(gè)相機(jī)能夠拍攝到不同粒子。所述一號(hào)ccd相機(jī)和二號(hào)ccd相機(jī)將拍攝圖像傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。

所述的粒子發(fā)生器與高壓氣瓶由管路連接，由與同步控制器連接的電磁閥控制粒子發(fā)生器。所述脈沖激光發(fā)射器與同步控制器連接，控制器與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，由同步控制器控制過程時(shí)序。

在相同的激光照射下，額外添加的示蹤粒子散射出與固相組分不同的散射光。一號(hào)ccd相機(jī)和二號(hào)ccd相機(jī)的鏡頭前則分別安裝了對(duì)應(yīng)的帶通濾光鏡，從而兩個(gè)相機(jī)能夠拍攝到不同的粒子，分別得到固相組分與額外添加的示蹤粒子的數(shù)字圖像。這兩組圖像在計(jì)算機(jī)中分別進(jìn)行分析，最終得到固相組分的速度，以及代表氣流速度的額外添加的示蹤粒子的速度。

本發(fā)明具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：示蹤粒子對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的跟隨性好，能反映真實(shí)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，示蹤粒子對(duì)光的散射特性好，可見度高，示蹤粒子在流體中的分布和濃度大小能滿足獲取全流場(chǎng)圖像信息的要求。使用dehs液體材料通過霧化獲得直徑1微米左右的示蹤粒子，對(duì)氣相流示蹤粒子進(jìn)行光學(xué)處理，在dehs溶劑中適當(dāng)加入熒光劑進(jìn)行染色，使其示蹤粒子在激光照射下反射光波長(zhǎng)發(fā)生改變，兩臺(tái)相機(jī)如果能分別采集一個(gè)特定波長(zhǎng)的粒子圖像，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩種粒子的區(qū)分計(jì)算。在兩個(gè)ccd相機(jī)上分別安裝不同波長(zhǎng)范圍的帶通濾波鏡，其帶通范圍分別對(duì)應(yīng)532nm的激光波長(zhǎng)(獲得固相結(jié)果)和經(jīng)過熒光劑染色的dehs粒子(獲得氣相結(jié)果)。克服了由于固相組分在低熱固相反應(yīng)裝置中循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致粒徑變化的影響，從而在這種特殊工作環(huán)境下獲得了常規(guī)多相流piv單相機(jī)監(jiān)測(cè)不能得到的氣、固相組分流速。

附圖說明

圖1為監(jiān)測(cè)氣固兩相流流場(chǎng)特性的裝置示意圖。1為一號(hào)ccd相機(jī)，2為二號(hào)ccd相機(jī)，3為數(shù)據(jù)采集卡，4為多通道同步控制器，5為計(jì)算機(jī)，6為高壓氣瓶，7為高速氣固兩相流通道，8為粒子發(fā)生器，9為電磁閥，10為固相組分，11為示蹤粒子，12為光學(xué)窗口口，13為激光器。

圖2為高速氣固兩相流通道7內(nèi)氣流速度矢量瞬態(tài)分布監(jiān)測(cè)結(jié)果。其中，氣流方向由左向右。

圖3為高速氣固兩相流通道7內(nèi)固相流速度矢量瞬態(tài)分布監(jiān)測(cè)結(jié)果。其中，固相流方向由左向右。

圖4為利用dehs作為示蹤粒子的piv結(jié)果準(zhǔn)確度與實(shí)際氣流場(chǎng)流速比較圖。其中，橫軸為試驗(yàn)m數(shù)，縱軸為來流速度，—■—線代表風(fēng)洞固有流場(chǎng)參數(shù)，—○—線代表piv監(jiān)測(cè)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示，本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)高速氣固兩相流流場(chǎng)特性的裝置，在高速氣固兩相流通道7側(cè)壁對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)光學(xué)窗口12，對(duì)應(yīng)兩個(gè)光學(xué)窗口分別設(shè)置一號(hào)ccd相機(jī)1和二號(hào)ccd相機(jī)2，同時(shí)在光學(xué)窗口12外部設(shè)置脈沖激光發(fā)射器13，高速氣固兩相流通道7的前端設(shè)置示蹤粒子發(fā)射器8，示蹤粒子發(fā)射器8與脈沖激光發(fā)射器13、同步控制器、ccd相機(jī)、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)連接和同步控制。示蹤粒子發(fā)射器8將示蹤粒子11送入高速氣固兩相流通道7內(nèi)，與通道內(nèi)的高速氣固兩相流混合并跟隨氣流運(yùn)動(dòng)。示蹤粒子11為經(jīng)過熒光劑處理后的直徑為1μm左右的癸二酸二異辛酯(dehs)霧化粒子。一號(hào)ccd相機(jī)1和二號(hào)ccd相機(jī)2鏡頭前分別安裝對(duì)應(yīng)的帶通濾光鏡，兩個(gè)相機(jī)能夠拍攝到不同粒子。所述一號(hào)ccd相機(jī)1和二號(hào)ccd相機(jī)2將拍攝圖像傳輸至數(shù)據(jù)采集卡3，數(shù)據(jù)采集卡3將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)5。粒子發(fā)生器8與高壓氣瓶6由管路連接，由同步控制器4連接的電磁閥9控制粒子發(fā)生器8，所述脈沖激光發(fā)射器13與同步控制器4連接，控制器4與計(jì)算機(jī)5連接，計(jì)算機(jī)5發(fā)出指令，由同步控制器4控制過程時(shí)序。在相同的激光照射下，額外添加的示蹤粒子11散射出與固相組分10不同的散射光。一號(hào)ccd相機(jī)1和二號(hào)ccd相機(jī)2的鏡頭前則分別安裝了對(duì)應(yīng)的帶通濾光鏡，從而兩個(gè)相機(jī)能夠拍攝到不同的粒子，分別得到固相組分10與額外添加的示蹤粒子11的數(shù)字圖像。這兩組圖像在計(jì)算機(jī)5中分別進(jìn)行分析，最終得到固相組分10的速度，以及代表氣流速度的額外添加的示蹤粒子11的速度。

本發(fā)明示蹤粒子對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的跟隨性好，能反映真實(shí)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，示蹤粒子對(duì)光的散射特性好，可見度高，示蹤粒子在流體中的分布和濃度大小能滿足獲取全流場(chǎng)圖像信息的要求。使用dehs液體材料通過霧化獲得直徑1微米左右的示蹤粒子，對(duì)氣相流示蹤粒子進(jìn)行光學(xué)處理，在dehs溶劑中適當(dāng)加入熒光劑進(jìn)行染色，使其示蹤粒子在激光照射下反射光波長(zhǎng)發(fā)生改變，兩臺(tái)相機(jī)如果能分別采集一個(gè)特定波長(zhǎng)的粒子圖像，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩種粒子的區(qū)分計(jì)算。在兩個(gè)ccd相機(jī)上分別安裝不同波長(zhǎng)范圍的帶通濾波鏡，其帶通范圍分別對(duì)應(yīng)532nm的激光波長(zhǎng)(獲得固相結(jié)果)和經(jīng)過熒光劑染色的dehs粒子(獲得氣相結(jié)果)?？朔擞捎诠滔嘟M分在低熱固相反應(yīng)裝置中循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致粒徑變化的影響，從而在這種特殊工作環(huán)境下獲得了常規(guī)多相流piv單相機(jī)監(jiān)測(cè)不能得到的氣、固相組分流速。

應(yīng)用本發(fā)明的裝置進(jìn)行高速氣固兩相流流程特性監(jiān)測(cè)，如圖2所示得到在高速氣固兩相流通道7內(nèi)氣流速度矢量瞬態(tài)分布監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中，氣流方向由左向右，與之向比較的是圖3得到的固相流速度矢量瞬態(tài)分布情況，由此可見，本發(fā)明的裝置能夠分別獲取兩相流中氣流和固體流的流體性質(zhì)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明裝置的準(zhǔn)確度，本發(fā)明利用風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過與風(fēng)洞實(shí)際流速比較，驗(yàn)證示蹤粒子的piv模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖4所示本發(fā)明裝置的示蹤粒子測(cè)試結(jié)果與實(shí)際氣流流速保持較高的一致性，尤其是在高m數(shù)的情況下，準(zhǔn)確性越好。