一种沃辛顿射流机械能定量分析的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及沃辛顿射流领域，具体涉及一种沃辛顿射流机械能定量分析的装置和方法。所述装置包括激发物位置及能量控制组件、释放组件、液池、数字图像记录组件和数据解析系统，所述释放组件用于携带并释放激发物，所述释放组件活动连接在激发物位置及能量控制组件上，所述激发物位置及能量控制组件用于带动释放组件运动至释放位置，所述数字图像记录组件用于拍摄液池中发生沃辛顿射流的图像信息，所述数据解析系统与图形记录组件连接，用于对图形记录组件获取的图像信息进行解析，并获得沃辛顿射流机械能定量分析结果。本发明专利技术能够获得准确的沃辛顿射流物体的机械能。的沃辛顿射流物体的机械能。的沃辛顿射流物体的机械能。

【技术实现步骤摘要】
一种沃辛顿射流机械能定量分析的装置和方法


[0001]本专利技术涉及沃辛顿射流领域，具体涉及一种沃辛顿射流机械能定量分析的装置和方法。

技术介绍

[0002]沃辛顿射流广泛存在于生产生活过程中：例如使用厕所便池时的溅水，溶液混合时的迸溅乃至跳水运动员产生的水花。一些高温、有毒或腐蚀性液体产生的沃辛顿射流会对人身财产安全造成威胁，部分沃辛顿射流的二次液滴尺寸可以小至微米级，进入空气后形成气溶胶，气溶胶中包裹的污染物或病原体会随气溶胶在空气中的扩散而大面积传播。因此沃辛顿射流成为了近年来流体力学及软物质科学的重要研究方向，而对沃辛顿射流的强度进行定量的评价分析则是其中的重要课题。
[0003]目前的研究者们通常用间接参数来描述沃辛顿射流的强度：例如反弹液柱的高度，射流断裂产生二次液滴的速度和数量等，有的研究者尝试通过比较直径计算沃辛顿射流机械能来描述，但比较直径的获取方法有限，只能将复杂横向对称体的沃辛顿射流简化为简单几何图形，所得到的结果准确度较低，实际意义不大。
[0004]目前的研究领域缺乏一种对沃辛顿射流强度能进行准确，简便的定量分析方法。
[0005]论文(Energy conservation during single droplet impact on deep liquidpool and jet formation)提出了一种将沃辛顿射流简化为圆柱体计算其重力势能的方法，但由于不同沃辛顿射流的形状差别较大，且可能发生液柱断裂产生二次液滴，该方法的计算结果准确度非常低，且操作繁琐，需要对数据进行逐一人工干预，无法标准化，自动化完成。

技术实现思路

[0006]为改善现有技术的不足，本专利技术提供一种沃辛顿射流机械能定量分析的装置，包括激发物位置及能量控制组件、释放组件、液池、数字图像记录组件和数据解析系统，所述释放组件用于携带并释放激发物，所述释放组件活动连接在激发物位置及能量控制组件上，所述激发物位置及能量控制组件用于带动释放组件运动至释放位置，所述数字图像记录组件用于拍摄液池中发生沃辛顿射流的图像信息，所述数据解析系统与图形记录组件连接，用于对图形记录组件获取的图像信息进行解析，并获得沃辛顿射流机械能定量分析结果。
[0007]优选地，所述液池位于释放组件的下方。
[0008]根据本专利技术的实施方案，所述数字图像记录组件包括光源和摄像机，所述光源用于发射一定强度的光照射液池，为摄像机提供清晰的拍摄光环境，所述摄像机用于拍摄激发物与液池中液体作用产生沃辛顿射流的图像信息。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述装置还包括控制组件，所述控制组件用于控制激发物位置及能量控制组件、释放组件的动作。
[0010]根据本专利技术的实施方案，所述激发物位置及能量控制组件用于带动释放组件上下运动和横向运动，以改变释放组件的位置。例如，使所述释放组件上的激发物位于摄像机的对焦平面上，同时，还位于摄像机取景框中并与距离液面指定高度的标线齐平。
[0011]作为一个实例地，所述激发物位置及能量控制组件包括纵向步进电机、横向步进电机和滑台，滑台包括纵向滑台和横向滑台，所述横向滑台横向连接在纵向滑台上，所述纵向滑台内设置有纵向丝杆和纵向滑块，所述纵向步进电机与纵向丝杆连接，所述纵向步进电机驱动纵向丝杆转动，并带动纵向滑块上下运动；所述横向滑台内设置有横向丝杆和横向滑块，所述横向丝杆与横向步进电机连接，所述横向步进电机驱动横向丝杆转动，并带动横向滑块左右运动，所述释放组件连接在横向滑块上。
[0012]根据本专利技术的实施方案，所述激发物包括液滴和固体物。
[0013]作为一个实例地，所述释放组件包括注射泵，注射泵连接在横向滑块上；所述注射泵包括驱动器、丝杆和支架，所述支架用于放置固体物或者用于存放液滴的容器，支架通过丝杆与驱动器与连接，驱动器驱动丝杆运动并带动支架运动。所述容器例如为注射器，所述驱动器用于驱动丝杆推动注射器的活塞运动，释放液滴；或者释放固体物。
[0014]根据本专利技术的实施方案，所述液池的内壁材料为超疏水、超疏油或双疏透明材质，具体根据所测试液体性质的需要进行选择，以降低液池壁面吸附的影响。
[0015]根据本专利技术的实施方案，所述摄像机为高速摄像机，例如所述高速摄像机帧率为4000FPS，分辨率为1024X1024，快门时间为20μs。
[0016]根据本专利技术的实施方案，所述光源为直流冷光源，例如所述光源的功率为40W。
[0017]根据本专利技术的实施方案，所述数据解析系统包括包括数据分割模块、沃辛顿射流机械能计算模块和初始机械能计算模块，所述数据分割模块用于将数字图像记录组件采集的视频信息分割为V1和V2：V1为激发物出现在画面中到完全进入液池之间的视频；V2为激发物完全进入液池到液面重新平静状态之间视频；所述沃辛顿射流机械能计算模块用于根据V2计算激发物的沃辛顿射流机械能；所述初始机械能计算模块用于根据V1计算激发物的初始机械能。
[0018]根据本专利技术的实施方案，所述沃辛顿射流机械能计算模块包括读取单元、预处理单元、二值化处理单元、表观重力势能计算单元、沃辛顿射流反弹液柱获取单元和二次液滴机械能计算单元。
[0019]根据本专利技术的实施方案，所述读取单元用于按照时间顺序逐一读取V2中各帧的灰度数字图像。
[0020]根据本专利技术的实施方案，所述预处理单元用于对读取单元读取的灰度数字图像进行预处理，去除灰度数字图像中的噪声，例如采用matlab工具箱中高斯滤波法去除灰度数字图像噪声，得到去噪图像。
[0021]根据本专利技术的实施方案，所述二值化处理单元用于根据光照条件设定灰度阈值，并根据灰度阈值对去噪图像进行二值化处理。
[0022]作为一个实例地，根据灰度阈值，将每一帧去噪图像转换为由0和1组成的矩阵T1，矩阵T1的连通域数量为M，帧序数为L，其中，灰度阈值用于区分空气部分和液体部分，矩阵T1的横坐标轴方向为从左指向右，纵坐标轴方向为从顶部指向底部，对于未发生液柱断裂的沃辛顿射流，M＝1；对于发生液柱断裂的沃辛顿射流，M≥2。
[0023]根据本专利技术的实施方案，所述表观重力势能计算单元用于计算每一帧二值化图像的表观重力势能，计算方法包括：从T1中拍摄时设定的液面所在行(0重力势能基准面，纵坐标y0)历遍到顶点最小连通域的顶部共N行，当读取到行值为1的点时记录液面所在行与该点纵坐标差值i并统计所有行值为1的像素点的总和P
i
，根据以下公式计算射流的表观重力势能E
g
。
[0024][0025]公式一中，π为圆周率，g为当地重力加速度，R为数字图像中单位像素比例尺，其单位为米/像素。
[0026]根据本专利技术的实施方案，所述沃辛顿射流反弹液柱获取单元用于获取沃辛顿射流反弹液柱，具体地，遍历所有表观重力势能，获取表观重力势能最大值，即为沃辛顿射流反弹液柱的重力势能E0，记录表观重力势能最大值对应的帧序数。
[0027]根据本专利技术的实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沃辛顿射流机械能定量分析的装置，其特征在于，所述装置包括激发物位置及能量控制组件、释放组件、液池、数字图像记录组件和数据解析系统，所述释放组件用于携带并释放激发物，所述释放组件活动连接在激发物位置及能量控制组件上，所述激发物位置及能量控制组件用于带动释放组件运动至释放位置，所述数字图像记录组件用于拍摄液池中发生沃辛顿射流的图像信息，所述数据解析系统与图形记录组件连接，用于对图形记录组件获取的图像信息进行解析，并获得沃辛顿射流机械能定量分析结果。2.根据权利要求1所述的沃辛顿射流机械能定量分析的装置，其特征在于，所述数字图像记录组件包括光源和摄像机，所述光源用于发射一定强度的光照射液池，为摄像机提供清晰的拍摄光环境，所述摄像机用于拍摄激发物与液池中液体作用产生沃辛顿射流的图像信息。优选地，所述激发物位置及能量控制组件用于带动释放组件上下运动和横向运动，以改变释放组件的位置。优选地，所述装置还包括控制组件，所述控制组件用于控制激发物位置及能量控制组件、释放组件的动作。优选地，所述激发物包括液滴和固体物。3.根据权利要求1所述的沃辛顿射流机械能定量分析的装置，其特征在于，所述释放组件包括注射泵，所述注射泵包括驱动器、丝杆和支架，所述支架用于放置固体物或者用于存放液滴的容器，所述支架通过丝杆与驱动器与连接，所述驱动器驱动丝杆运动并带动支架运动。例如所述容器例如为注射器，所述驱动器用于驱动丝杆推动注射器的活塞运动，释放液滴；例如所述驱动器用于驱动丝杆推动支架运动并释放固体物。所述液池的内壁材料为超疏水、超疏油或双疏透明材质。优选地，所述摄像机为高速摄像机，所述光源为直流冷光源。4.根据权利要求1至3任一项所述的沃辛顿射流机械能定量分析的装置，其特征在于，所述数据解析系统包括包括数据分割模块、沃辛顿射流机械能计算模块和初始机械能计算模块，所述数据分割模块用于将数字图像记录组件采集的视频信息分割为V1和V2：V1为激发物出现在画面中到完全进入液池之间的视频；V2为激发物完全进入液池到液面重新平静状态之间视频；所述沃辛顿射流机械能计算模块用于根据V2计算激发物的沃辛顿射流机械能；所述初始机械能计算模块用于根据V1计算激发物的初始机械能。优选地，所述沃辛顿射流机械能计算模块包括读取单元、二值化处理单元、表观重力势能计算单元、沃辛顿射流反弹液柱获取单元和二次液滴机械能计算单元；所述读取单元用于按照时间顺序逐一读取V2中各帧的灰度数字图像；所述二值化处理单元用于根据光照条件设定灰度阈值，并根据灰度阈值对去噪图像进行二值化处理，得到二值化图像；所述表观重力势能计算单元用于计算每一帧二值化图像的表观重力势能；所述沃辛顿射流反弹液柱获取单元用于遍历所有表观重力势能，获取表观重力势能最大值作为沃辛顿射流反弹液柱的重力势能E0。所述二次液滴机械能计算单元用于判定二次液滴并计算所有二次液滴的动能。5.根据权利要求4所述的沃辛顿射流机械能定量分析的装置，其特征在于，所述初始机械能计算模块包括读取单元、二值化处理单元和初始机械能计算单元；
其中，所述读取单元用于按照时间顺序逐一读取V1中各帧的灰度数字图像；所述二值化处理单元用于根据光照条件设定灰度阈值，并根据灰度阈值对去噪图像进行二值化处理，得到二值化数字图像矩阵T2及其连通域数量M
s
及其帧序数L。所述初始重力势能计算单元用于计算液滴进入液池时的重力势能，所述计算包括选取M
s
＝1对应的帧数L，获取第L
‑
1，L
‑
2，L
‑
3帧对应的顶点坐标C
L1
、C
L2
、C
L3
，计算第L
‑
1帧的重力势能E
g1
、体积D1、速度v
k1
及动能E
k1
，获得E
g1
与E
k1
之和，即为初始重力势能；其中，当液滴进入液池，即从空气中进入液体时，M
s
＝1。6.根据权利要求4或5所述的沃辛顿射流机械能定量分析的装置，其特征在于，所述沃辛顿射流机械能计算模块和初始机械能计算模块还包括预处理单元，所述预处理单元用于对读取单元读取的灰度数字图像进行预处理，去除灰度数字图像中的噪声。优选地，所述表观重力势能的计算方法包括：从T1中拍摄时设定的液面所在行(0重力势能基准面，纵坐标y0)历遍到顶点最小连通域的顶部共N行，当读取到行值为1的点时记录液面所在行与该点纵坐标差值i并统计所有行值为1的像素点的总和P
i
，根据以下公式计算射流的表观重力势能E
g
。公式一中，π为圆周率，g为当地重力加速度，R为数字图像中单位像素比例尺，其单位为米/像素。优选地，所述二次液滴机械能计算单元用于判定二次液滴并计算所有二次液滴的动能包括：判定当前帧的连通域数量大于前一个帧的连通域数量，且出现连通域增加的帧序数小于出现最大表观重力势能的帧序数，当前帧对应二次液滴，根据公式一计算当前帧中顶点坐标最小的连通域的重力势能E
c1
，记录当前帧后三帧的顶点坐标C1，C2，C3，通过以下公式获取二次液滴的速度v；公式二中，F为高速摄像的帧...

【专利技术属性】
技术研发人员：王毅琳，蔡卓均，王博，李浩飞，罗思琪，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：