一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法技术

本发明专利技术提供了一种测量非规则颗粒阻力系数的实验方法，主要包括偏心拼接的非规则沉降颗粒、沉降容器、光学拍摄系统、物性测量系统等。本发明专利技术采用两种不同密度的材料拼接成非均匀的颗粒，通过调整两种材料的体积比例，使得颗粒在沉降实验中受到偏心力矩作用保持姿态角固定。采用高速摄影仪记录非均匀颗粒在不同粘度的溶液介质中释放的自由沉降过程，通过相应的算法对非均匀颗粒的沉降速度和沉降轨迹进行分析，获得非规则的颗粒在特定姿态角下的阻力系数。该设计方法通用、有效且易于操作，适用于多种不规则形状颗粒在特定姿态角下的阻力系数测量。

A Settlement Test Method for Measuring Resistance Coefficient of Irregular Particles at a Specific Attitude Angle

The invention provides an experimental method for measuring the resistance coefficient of irregular particles, which mainly includes eccentrically stitched irregular settled particles, settled containers, optical photography system, physical property measurement system, etc. The invention adopts two different densities of materials to splice into non-uniform particles, and by adjusting the volume ratio of the two materials, the particles are fixed by eccentric moment in the settlement experiment. A high-speed camera was used to record the free settling process of non-uniform particles released in solution with different viscosities. The settling velocity and settling trajectory of non-uniform particles were analyzed by corresponding algorithm, and the resistance coefficient of irregular particles at a specific attitude angle was obtained. The design method is universal, effective and easy to operate. It is suitable for the measurement of drag coefficients of irregular shape particles at specific attitude angles.

【技术实现步骤摘要】
一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法
本专利技术涉及一种测量特定姿态角下非规则颗粒阻力系数的实验方法。
技术介绍
颗粒两相流运动广泛存在于自然界和工程应用中，在人类的生活和工业生产中发挥重要作用。在自然界中，沙尘暴、雾霾、河流中的泥沙沉积等现象均涉及到两相流问题。在航空领域，直升机涡轴发动机的砂尘防护同样涉及到颗粒在气流中的运动。当直升机在草原、沙漠、雪地等野外场地实现起降或者低空悬停时，旋翼下洗气流会卷起地面的冰雪、砂尘等异物颗粒，这些异物颗粒被发动机吞入后对其高效安全工作产生了很大危害，为此对发动机采取必要的进气防护措施很有必要。目前在直升机上广泛使用的进气防护装置为惯性式粒子分离器。其工作的基本原理为利用砂尘与空气之间的密度差异，利用惯性力将密度相对较高的砂尘甩至外侧流道，从而实现洁净空气与砂尘的分离。在现有的粒子分离器设计过程中，通常将砂尘颗粒简化为圆球，这种做法忽略了气流攻角、砂尘形状、颗粒旋转对砂尘在流道中运动轨迹的影响，与真实工作情况存在着很大差异。因此，研究非规则砂尘的气动力特性，建立准确的气动力系数经验公式，成为砂尘运动轨迹预测的关键。考虑到气动力经验公式的建立需要大量的数据点，研究过程中主要采用计算机软件对颗粒的气动特性进行计算。为了验证仿真软件得到的阻力系数的正确性，进一步补充数据点，同时研究真实情况下颗粒在流体介质中的运动特性，需要对颗粒进行沉降实验测试，从而获得颗粒在不同雷诺数下对应的沉降阻力系数。不同的气流攻角下，砂尘颗粒的迎风面积发生变化，阻力系数也随之改变。以往的沉降实验中多采用单一材质制作的颗粒，无法抑制因颗粒尾流流动分离导致的非定常气动力导致的摆动，因此在实验过程中颗粒会出现摇晃等不稳定运动或者以随机角度沉降。因此，发展一种测量固定姿态角阻力系数的实验方法十分必要。
技术实现思路
专利技术目的，提供一种测量固定姿态角阻力系数的实验方法。为达到上述目的，本专利技术测量非规则颗粒阻力系数的实验方法可采用如下技术方案：一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法，包括如下步骤：(1)密度不均匀的偏心颗粒制备；(1a)根据测量需求，将被测量的偏心颗粒(1)分为拼接材料A、拼接材料B两部分，每一部分由密度不相同的材料制成。(1b)通过调整两部分材料的体积比，获得测量需要的沉降角度，即偏心颗粒的沉降姿态角；(2)在沉降容器内放置沉降实验用甘油-水溶液；(3)测量沉降溶液粘度；(4)偏心颗粒释放及沉降轨迹记录；(4a)将偏心颗粒以确定的姿态角浸入沉降实验用溶液，并使偏心颗粒表面未附着任何气泡；(4b)在溶液面下方释放偏心颗粒；(4c)通过高速摄像机(5)记录偏心颗粒(1)在溶液中的运动轨迹；(5)通过高速摄像机获得的沉降轨迹数据获得偏心颗粒在给定姿态角下的阻力系数；(5a)通过高速摄像机记录的颗粒运动轨迹计算颗粒在稳定运动后的速度，并根据沉降实验用溶液的密度，计算偏心颗粒沉降运动的雷诺数；偏心颗粒沉降运动的雷诺数的计算公式为Re＝ρfuD/μ其中ρf为沉降溶液的密度，u为偏心颗粒与流体的相对速度，D为偏心颗粒的等体积球直径，μ为沉降溶液的粘度；(5b)根据偏心颗粒沉降运动参数代入阻力系数计算公式，获得确定姿态角和雷诺数下的偏心颗粒阻力系数；偏心颗粒沉降过程稳定后的速度v，其计算公式为：V＝Δl×f其中Δl为高速摄像机拍摄的两张连续照片中偏心颗粒几何中心的位移，f为高速摄像机的拍摄帧率；通过高速摄像机拍摄的颗粒沉降轨迹计算阻力系数的公式为：Cd为阻力系数，ρs为偏心颗粒密度，ρf为沉降溶液密度，g为重力加速度，D为偏心颗粒的等体积球直径，V为偏心颗粒的沉降末速度。进一步的，偏心颗粒的颗粒质心与几何中心偏离，在溶液中沉降时存在偏心力矩，抑制方块沉降过程中出现的不稳定运动。进一步的，步骤(1b)中，改变拼接材料A、拼接材料B两部分拼接面的角度，使得偏心颗粒的重心与几何中心的连线与偏心颗粒的中轴线成一夹角，即为方块的沉降姿态角，从而获得偏心颗粒在该沉降姿态角的角度下沉降的阻力系数。进一步的，步骤(2)中，配比甘油-水溶液的方法为，(2a)、所述甘油-水溶液由甘油和水按照比例在沉降容器内混合而成；(2b)、为保证(2a)所述甘油-水溶液密度均匀，将一定量的水加入甘油后使用搅拌器搅拌约30分钟后，而后将沉降容器在恒温环境内静置24小时，保证容器内的甘油水溶液与室内温度达到热力平衡且无气泡；(2c)、溶液静置时需要采用塑料膜将容器上端口密封以避免空气中的水蒸气与甘油-水溶液掺混影响粘度值。进一步的，步骤(3)中，测量沉降溶液粘度的方法为；(3a)由于甘油-水溶液粘度随温度变化剧烈，在沉降容器侧壁布置12个固定的铂热电阻(5)用于测量甘油-水溶液的流体温度。(3b)记录每次沉降实验进行前的甘油-水溶液温度。(3c)采用转子式粘度计测量甘油-水溶液的实际粘度，测量时使用恒温水浴槽使测量温度与实验过程中记录的温度相同。进一步的，沉降容器(3)材料为高透光率的树脂玻璃，并在沉降容器相邻两侧面布置LED光源和柔光面板(6)。进一步的，沉降容器底部设置有橡胶垫(7)以及纱网(8)，用于回收沉降实验完成后的非规则颗粒。进一步的，高速摄像机布置于沉降容器一侧，并在实验前通过标定程序完成对捕捉画面的标定。进一步的，步骤(1b)中，沉降角度由以下公式给出：其中θ为沉降姿态角度，x0，y0为偏心颗粒的几何中心，xc，yc为偏心颗粒的重心，ρA为拼接材料A的密度，VA为拼接材料A的体积和xA为拼接材料A在典型XY坐标系中沿沿X方向的坐标，yA为拼接材料A在上述典型XY坐标系中沿沿Y方向的坐标，xB，ρB为拼接材料B的密度，VB为拼接材料B的体积和xB为拼接材料B在上述典型XY坐标系中沿X方向的坐标，yB为拼接材料B在上述典型XY坐标系中沿Y方向的坐标。有益效果：本专利技术提供了一种测量非规则颗粒阻力系数的实验方法，采用两种不同密度的材料拼接成非均匀的颗粒，通过调整两种材料的体积比例，使得颗粒在沉降实验中受到偏心力矩作用保持姿态角固定。采用高速摄影仪记录非均匀颗粒在不同粘度的溶液介质中释放的自由沉降过程，通过相应的算法对非均匀颗粒的沉降速度和沉降轨迹进行分析，获得非规则的颗粒在特定姿态角下的阻力系数。该设计方法通用、有效且易于操作，适用于多种不规则形状颗粒在特定姿态角下的阻力系数测量。附图说明图1为本专利技术使用的沉降实验装置的结构示意图。图2为拼接偏心颗粒为方块时的三种拼接形态。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明本专利技术公开一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法。该实验方法中采用的实验器材包括偏心拼装的非规则沉降颗粒(偏心颗粒)、装有特定粘度液体的沉降容器、光学拍摄系统、物性测量系统。偏心颗粒可由不同的材质与尺寸拼装而成，从而实现任意固定角度自由沉降。偏心颗粒的拼接材质包括：PVC、铝、黄铜、钢等。颗粒拼接形态为：上半部分为轻质材料，下半部分为不同材质的金属，由于密度不均匀使得偏心颗粒的质心与几何中心偏离，在溶液中沉降时存在偏心力矩，抑制偏心颗粒沉降过程中出现的不稳定运动。在沉降过程中偏心颗粒的重心与几何中心处于同一竖直方向时颗粒将以该稳定位置沉降，从而可以获得偏心颗粒在特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)密度不均匀的偏心颗粒制备；(1a)根据测量需求，将被测量的偏心颗粒(1)分为拼接材料A、拼接材料B两部分，每一部分由密度不相同的材料制成；(1b)通过调整两部分材料的体积比，获得测量需要的沉降角度，即偏心颗粒的沉降姿态角；(2)在沉降容器内放置沉降实验用甘油‑水溶液；(3)测量沉降溶液粘度；(4)偏心颗粒释放及沉降轨迹记录；(4a)将偏心颗粒以确定的姿态角浸入沉降实验用溶液，并使偏心颗粒表面未附着任何气泡；(4b)在溶液面下方释放偏心颗粒；(4c)通过高速摄像机(5)记录偏心颗粒(1)在溶液中的运动轨迹；(5)通过高速摄像机获得的沉降轨迹数据获得偏心颗粒在给定姿态角下的阻力系数；(5a)通过高速摄像机记录的颗粒运动轨迹计算颗粒在稳定运动后的速度，并根据沉降实验用溶液的密度，计算偏心颗粒沉降运动的雷诺数；偏心颗粒沉降运动的雷诺数的计算公式为Re＝ρfuD/μ其中ρf为沉降溶液的密度，u为偏心颗粒与流体的相对速度，D为偏心颗粒的等体积球直径，μ为沉降溶液的粘度；(5b)根据偏心颗粒沉降运动参数代入阻力系数计算公式，获得确定姿态角和雷诺数下的偏心颗粒阻力系数；偏心颗粒沉降过程稳定后的速度v，其计算公式为：V＝Δl×f其中Δl为高速摄像机拍摄的两张连续照片中偏心颗粒几何中心的位移，f为高速摄像机的拍摄帧率；通过高速摄像机拍摄的颗粒沉降轨迹计算阻力系数的公式为：...

【技术特征摘要】
1.一种测量非规则颗粒在特定姿态角下阻力系数的沉降实验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)密度不均匀的偏心颗粒制备；(1a)根据测量需求，将被测量的偏心颗粒(1)分为拼接材料A、拼接材料B两部分，每一部分由密度不相同的材料制成；(1b)通过调整两部分材料的体积比，获得测量需要的沉降角度，即偏心颗粒的沉降姿态角；(2)在沉降容器内放置沉降实验用甘油-水溶液；(3)测量沉降溶液粘度；(4)偏心颗粒释放及沉降轨迹记录；(4a)将偏心颗粒以确定的姿态角浸入沉降实验用溶液，并使偏心颗粒表面未附着任何气泡；(4b)在溶液面下方释放偏心颗粒；(4c)通过高速摄像机(5)记录偏心颗粒(1)在溶液中的运动轨迹；(5)通过高速摄像机获得的沉降轨迹数据获得偏心颗粒在给定姿态角下的阻力系数；(5a)通过高速摄像机记录的颗粒运动轨迹计算颗粒在稳定运动后的速度，并根据沉降实验用溶液的密度，计算偏心颗粒沉降运动的雷诺数；偏心颗粒沉降运动的雷诺数的计算公式为Re＝ρfuD/μ其中ρf为沉降溶液的密度，u为偏心颗粒与流体的相对速度，D为偏心颗粒的等体积球直径，μ为沉降溶液的粘度；(5b)根据偏心颗粒沉降运动参数代入阻力系数计算公式，获得确定姿态角和雷诺数下的偏心颗粒阻力系数；偏心颗粒沉降过程稳定后的速度v，其计算公式为：V＝Δl×f其中Δl为高速摄像机拍摄的两张连续照片中偏心颗粒几何中心的位移，f为高速摄像机的拍摄帧率；通过高速摄像机拍摄的颗粒沉降轨迹计算阻力系数的公式为：Cd为阻力系数，ρs为偏心颗粒密度，ρf为沉降溶液密度，g为重力加速度，D为偏心颗粒的等体积球直径，V为偏心颗粒的沉降末速度。2.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：偏心颗粒的颗粒质心与几何中心偏离，在溶液中沉降时存在偏心力矩，抑制方块沉降过程中出现的不稳定运动。3.根据权利要求1所述的沉降实验方法，其特征在于：步骤(1b)中，改变拼接材料A、拼接材料B两部分拼接面的角度，使得偏心颗粒的重心与几何中心的连线与偏心颗粒的中轴线成一夹角，即为方块的沉降姿态角，从而获得偏心颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：张悦，殷宁，谭慧俊，高婉宁，李鑫，王晨曦，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32