反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置与方法。本发明专利技术模型分为水体配置部分、射流生成部分、水体环境场部分、流场结构监测部分以及附件支撑部分。本发明专利技术可通过开启不同组件和配置，实现层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心等多工况的转换；光学匹配箱消除光学畸变、选择非侵入式的实时数字粒子图像测速仪系统和高清相机组合拍摄系统测量可最大程度保证实验数据准确性；可以探究螺旋涡旋缠绕、脱落、破碎的发展机理、K

【技术实现步骤摘要】
反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置与方法


[0001]本专利技术涉及湍流漩涡动力学中的物模试验领域，具体涉及反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置与方法。

技术介绍

[0002]旋转射流是自由射流旋转衍生的一种复杂流动，大多处于紊流状态。旋转射流与普通射流的区别在于有切向速度，使喷嘴内的流体旋转起来以使射出的流体具有切向速度分量。除了在旋转射流中存在的轴向、径向速度分量外，旋速度（切向速度）使径向、轴向产生压力梯度并影响到整个流场。旋转射流普遍存在于自然环境和工业工程中，如发动机燃料喷注系统、锅炉燃料器、化工工业、石油钻井技术等方面都有广泛的应用。具体来说，旋转射流可促进局部燃烧、推进系统与化学反应器之间的混合等，同时飞机尾部漩涡和与风切变产生漩涡是飞机事故的主要原因。此外，大气和海洋表层流扰动产生的龙卷风、飓风和大规模涡流都可概化为自旋性射流，因此理解旋转射流的局部/整体、线性/非线性的流场结构对环境保护和生产生活至关重要。
[0003]室内实验是探究旋转射流宏微观结构和动力特性的有效手段。但前人多关注模拟非旋转射流的简单工况，结合粒子图像测速技术以及高清相机拍摄等手段量化非旋环境下射流涡的结构演变。目前来看，关于旋转射流宏微观动力特性的研究还相当不足，综合考虑反/共旋环境影响的装置更是凤毛麟角，这进一步制约了相关领域的研究进展。基于此，本专利技术提出反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置与方法。
[0005]反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置，分为水体配置部分、射流生成部分、水体环境场部分、流场结构监测部分以及附件支撑部分。
[0006]所述的水体配置部分包括蓄水池、水泵和常水头水箱；所述的水泵抽取蓄水池内的水体至常水头水箱。
[0007]所述的射流生成部分包括旋转密封阀、旋转管、蜂窝稳流管和可替换喷嘴；所述的旋转密封阀入口与所述常水头水箱连通，控制水体的单向流入；所述的旋转密封阀出口连接所述的旋转管的一端，旋转管的另一端连接蜂窝稳流体管，旋转管自旋的同时带动蜂窝稳流管同轴转动；所述的蜂窝稳流管使水流稳定均匀地进入可替换喷嘴；所述的可替换喷嘴分为收缩型和无收缩型，收缩喷嘴用来配置层流态的均匀无旋射流，无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流。
[0008]所述的水体环境场部分包括实验水箱和光学匹配箱；所述光学匹配箱外包络实验水箱，所述的可替换喷嘴位于实验水箱内；所述光学
匹配箱起到消除光学畸变的作用。
[0009]所述的流场结构监测部分包括实时数字粒子图像测速仪系统和高清相机组合拍摄系统。
[0010]所述的实时数字粒子图像测速仪系统监测包括激光源、可转动反射镜、可视化图像采集CCD相机；所述的激光源采用氩离子激光器，产生激光束并照射于实验水箱上；所述的可转动反射镜置于光学匹配箱附近，通过调节其放置角度来折射激光束；所述的可视化图像采集CCD相机正对实验水箱并连续拍摄获取射流流场；所述的高清相机组合拍摄系统包括两台高清数码相机以及一固定反射镜；所述的两台高清数码相机用于获取不同配置射流的几何形态，其一高清数码相机正对实验水箱并连续拍摄获取射流侧视二维形态，另一高清数码相机置于光学匹配箱底部，并结合所述的固定反射镜连续拍摄射流仰视二维形态。
[0011]所述的附件支撑部分包括环境水体旋转台、旋转台控制系统和支撑台；所述的环境水体旋转台连接实验水箱与光学匹配箱，自旋同时带动实验水箱与光学匹配箱旋转；所述的旋转台控制系统控制环境水体旋转台自旋速度和方向；所述的支撑台用以支撑水体旋转台和旋转台控制系统。
[0012]监测反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验方法，采用上述装置，包括以下步骤：（a）试验开始前，蓄水池内盛满清水，并静置几天以排气。
[0013]若探究配置射流的涡旋分布以及流场结构，则清水内添加少量聚合物颗粒作为示踪剂，同时启用实时数字粒子图像测速仪系统；若探究配置射流的几何形态，蓄水池内清水不添加聚合物颗粒，同时启用高清相机组合拍摄系统。
[0014]喷嘴的选择依据为：收缩喷嘴用来配置层流态的均匀无旋射流，无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流。
[0015]（b）开始试验，打开水泵将蓄水池中的水体泵入常水头水箱，通过流量计控制流量情况。选择配置并开启。以初始射流为湍流态的非均匀旋转流、关注离心不稳定下的涡旋分布以及流场结构工况为例：通过旋转台控制系统转动环境水体旋转台，工作几小时后使得环境水体完全刚化；启动实时数字粒子图像测速仪系统，调节可转动反射镜使得激光切片位于研究区域，并开启可视化图像采集CCD相机；选择无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流，开启电机，旋转管带动蜂窝稳流管和喷嘴转动，旋转方向与同轴的实验水箱和光学匹配箱反向，以塑造离心不稳定的初始配置；调节流量计，自旋射流射入反旋环境流体中，可视化图像采集CCD相机进行连续拍摄，出流管连接实验水箱，并将实验水流导出至外部环境。
[0016]（c）试验结束后，关闭动力装置，将常水头水箱中水体置回蓄水池，以备下次试验使用。
[0017]（d）数据处理工作，对实时数字粒子图像测速仪系统图像后处理，获取层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心工况下的涡旋分布以及流场结构；对高清相机组合拍摄系统图像后处理，获取层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心工况下的
几何形态。
[0018]本专利技术的有益效果：1、本专利技术装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低。
[0019]2、本专利技术装置可通过开启不同组件和配置，实现层流态的均匀无旋射流/湍流态的非均匀旋转射流在相对环境流体离心稳定/不稳定或者非离心等多工况的转换。
[0020]3、光学匹配箱消除光学畸变、选择非侵入式的实时数字粒子图像测速仪（DPIV）系统和高清相机组合拍摄系统测量可最大程度保证实验数据准确性。
[0021]4、本专利技术可以探究螺旋涡旋缠绕、脱落、破碎的发展机理、K
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H不稳定性、离心稳定/不稳定之间的关系，明晰复杂工况下（共旋与反旋）射流的流动临界性、稳定性和间歇性。
[0022]5、本专利技术装置和耗材可回收重复利用，符合绿色经济要求。
附图说明
[0023]图1是本专利技术的装置主视示意图。
[0024]图中：1. 蓄水池，2. 水泵，3. 常水头水箱，4. 溢流管，5. 流量计，6. 旋转密封阀，7. 电机，8. 旋转管，9. 蜂窝稳流管，10. 可替换喷嘴，11. 实验水箱，12. 光学匹配箱，13. 控制阀，14. 出流管，15. 激光源，16. 可转动反射镜，17. 可视化图像采集CCD相机，18. 侧视拍摄高清相机，19. 俯视拍摄高清相机，20. 固定反射镜，21. 旋转台，22本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.反/共旋环境下射流涡脱落和破碎的实验监测装置，其特征在于，分为水体配置部分、射流生成部分、水体环境场部分、流场结构监测部分以及附件支撑部分；所述的水体配置部分包括蓄水池、水泵和常水头水箱；所述的水泵抽取蓄水池内的水体至常水头水箱；所述的射流生成部分包括旋转密封阀、旋转管、蜂窝稳流管和可替换喷嘴；所述的旋转密封阀入口与所述常水头水箱连通，控制水体的单向流入；所述的旋转密封阀出口连接所述的旋转管的一端，旋转管的另一端连接蜂窝稳流体管，旋转管自旋的同时带动蜂窝稳流管同轴转动；所述的蜂窝稳流管使水流稳定均匀地进入可替换喷嘴；所述的可替换喷嘴分为收缩型和无收缩型，收缩喷嘴用来配置层流态的均匀无旋射流，无收缩喷嘴用来配置湍流态的非均匀旋转射流；所述的水体环境场部分包括实验水箱和光学匹配箱；所述光学匹配箱外包络实验水箱，所述的可替换喷嘴位于实验水箱内；所述光学匹配箱起到消除光学畸变的作用；所述的流场结构监测部分包括实时数字粒子图像测速仪系统和高清相机组合拍摄系统；所述的实时数字粒子图像测速仪系统监测包括激光源、可转动反射镜、可视化图像采集CCD相机；所述的激光源采用氩离子激光器，产生激光束并照射于实验水箱上；所述的可转动反射镜置于光学匹配箱附近，通过调节其放置角度来折射激光束；所述的可视化图像采集CCD相机正对实验水箱并连续拍摄获取射流流场；所述的高清相机组合拍摄系统包括两台高清数码相机以及一固定反射镜；所述的两台高清数码相机用于获取不同配置射流的几何形态，其一高清数码相机正对实验水箱并连续拍摄获取射流侧视二维形态，另一高清数码相机置于光学匹配箱底部，并结合所述的固定反射镜连续拍摄射流仰视二维形态；所述的附件支撑部分包括环境水体旋转台、旋转台控制系统和支撑台；所述的环境水体旋转台连接实验水箱与光学匹配箱，自旋同时带动实验水箱与光学匹配箱旋转；所述的旋转台控制系统控制环境水体旋转台自旋速度和方向；所述的支撑台用以支撑水体旋转台和旋转台控制系统。2.根据权利要求1所述的实验监测装置，其特征在于，还包括溢流管，所述的溢流管用于排出常水头水箱多余的水体，提供恒定的水头以减少水泵做功造成的水流振荡。3.根据权利要求1所述的实验监测装置，其特征在于，还包括出流管，所述的出流管连接实验水箱，并将实验水流...

【专利技术属性】
技术研发人员：林颖典，韩东睿，叶漪琦，季久丰，黄天炜，袁野平，贺治国，姜书，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：