專利名稱：一種風洞用piv示蹤粒子及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種piv示蹤粒子，更特別地說，是指一種適用于風洞實驗用的piv示 蹤粒子，該piv示蹤粒子以輕質(zhì)材料顆粒為芯核，并在芯核表面包覆有機物薄膜。
背景技術(shù)：
風洞實驗是空氣動力學(xué)研究中最基本的研究手段之一，其中的測試技術(shù)作為風洞 實驗的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響風洞實驗的效果。隨著計算機及圖像處理 技術(shù)的發(fā)展，風洞測試技術(shù)也在飛速發(fā)展，PIV (Particle Image Velocimetry，粒子圖像測 速法)測試技術(shù)目前被廣泛地引入到風洞流場測量中。其測速原理是通過測量示蹤粒子在 已知很短時間間隔內(nèi)的位移量來間接地測量流場中瞬態(tài)的速度分布。因此，示蹤粒子在PIV 測速中非常重要。 目前，風洞實驗中常用的PIV示蹤粒子主要有以下幾類第一類是將液體霧化成 液滴作為示蹤粒子，如將石蠟油霧化成液滴，雖然這類示蹤粒子在風洞流場中跟隨性好，但 會粘附在風洞壁及整流網(wǎng)上，給風洞帶來污染；第二類是借用水洞中常用的示蹤粒子，如二 氧化鈦顆粒、二氧化硅顆粒、三氧化二鋁顆粒、氧化鎂顆粒、玻璃微珠、滑石粉、鋁粉、鎂粉， 由于這類示蹤粒子密度高，在風洞流場中跟隨性較差，而且由于其硬度高，在風洞實驗中， 容易磨損風洞中的模型、風扇或軸流式壓縮機軸承等部件，影響風洞的正常運行；第三類是 聚苯乙烯等高分子顆粒，這類示蹤粒子密度在1. lg/cm3左右，流場跟隨性好，而且也不容易 磨損風洞中的模型、風扇或軸承等部件，但是，這類高分子顆粒制備成本很高，而在風洞實 驗中，PIV示蹤粒子的用量很大，這將大大提高風洞實驗的費用，影響這類示蹤粒子在風洞 實驗中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種風洞用PIV示蹤粒子，該風洞用PIV示蹤粒子以超細、輕 質(zhì)淀粉或花粉顆粒材料為芯核，并在芯核的表面包覆一層有機物(改性劑)薄膜構(gòu)成。該 風洞用PIV示蹤粒子的粒度為0. 5 ii m 22 ii m、密度為0. 5g/cm3 2. 0g/cm3，且具有窄的 粒度分布，較好的流場跟隨性及較低的制備成本。 本發(fā)明的另一目的是提出一種制備風洞用PIV示蹤粒子的方法，該方法首先將輕 質(zhì)顆粒材料粉碎至0. 2 ii m 20 ii m粒度的細顆粒，然后對細顆粒進行干燥處理獲得芯核， 最后在芯核的表面包覆一層有機物薄膜。該方法具有工藝簡單、穩(wěn)定可靠、成本低等優(yōu)點， 采用該方法所制備的風洞用PIV示蹤粒子具有較好的流場跟隨性和窄的粒度分布，能夠在 風洞中均勻分散，性能優(yōu)異且穩(wěn)定。 本發(fā)明制備一種風洞用PIV示蹤粒子的方法包括有下列步驟 第一步通過氣流粉碎或者振動磨粉碎的方法，將輕質(zhì)顆粒材料粉碎至0. 2 ii m
20iim粒度的細顆粒； 所述的輕質(zhì)顆粒材料可以是淀粉、花粉材料；
3
第二步將第一步制得的細顆粒在8(TC 13(TC條件下干燥2h 4h，獲得制備示 蹤粒子的芯核顆粒； 第三步在第二步制得的芯核顆粒和有機物(改性劑)加入攪拌設(shè)備中，在攪拌環(huán)
境溫度為90°C 140。C，攪拌速度為1000r/min 2900r/min的條件下攪拌5min 15min
后，即制備得到具有疏水性、良好分散性及流場跟隨性的風洞用PIV示蹤粒子；在此步驟中，100g的芯核顆粒中添加0. 5g 2g的改性劑；有機物(改性劑)可
以是硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑中的一種或兩種。 本發(fā)明的風洞用PIV示蹤粒子具有如下的優(yōu)點 ①采用超細、輕質(zhì)淀粉、花粉材料作為芯核材料，制備的PIV示蹤粒子具有較低的
密度，在風洞實驗中具有良好的流場跟隨性。 ②所用的芯核材料為非人工合成，易獲取，成本低。 ③在測試過程中，由于芯核材料為低硬度、低強度的材料，在風洞PIV測試過程
中，PIV示蹤粒子對風洞中的模型、風扇或軸流式壓縮機軸承造成的磨損較低。 ④采用本發(fā)明方法制得的風洞用PIV示蹤粒子在風洞PIV測試中有更好的綜合性
能，其表現(xiàn)在與將液體霧化成液滴類的示蹤粒子相比，具有不污染風洞和模型的優(yōu)點。與
水洞中常用的示蹤粒子相比，具有更好的流場跟隨性，也不會造成風洞中模型、風扇或軸流
式壓縮機軸承等部件的磨損。與合成制備的聚苯乙烯等高分子顆粒示蹤粒子相比，具有更
低的實驗測試成本。


圖1是本發(fā)明實施例1制備的風洞用PIV示蹤粒子的掃描電鏡照片。 圖2是將實施例1制備的風洞用PIV示蹤粒子用于風洞PIV實驗中流場測試照片。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。 本發(fā)明是一種風洞用PIV示蹤粒子，是以超細、輕質(zhì)顆粒材料為芯核，并在芯核的 表面包覆一層有機物(改性劑)薄膜構(gòu)成。該風洞用PIV示蹤粒子的粒度為0.5ym 22iim、密度為0. 5g/cm3 2. 0g/cm3，且具有窄的粒度分布，較好的流場跟隨性及較低的制 備成本。 在本發(fā)明中，所述的超細、輕質(zhì)顆粒材料為芯核為低強度、低硬度的柔性材料，如 淀粉、花粉材料，以防止在風洞PIV流場測試過程中，示蹤粒子磨損風洞中的模型、風扇或 軸流式壓縮機軸承。 在本發(fā)明中，所述的有機物薄膜(改性劑)是硅烷偶聯(lián)劑薄膜、鈦酸酯偶聯(lián)劑薄膜 或者鋁酸酯偶聯(lián)劑薄膜，其包覆量為芯核質(zhì)量的0. 5% 2%。
本發(fā)明制備風洞用PIV示蹤粒子的方法包括有下列步驟 第一步通過粉碎的方法，將輕質(zhì)顆粒材料粉碎至0. 2 ii m 20 ii m粒度的細顆 粒； 所述的輕質(zhì)顆粒材料可以是淀粉、花粉材料。 在本發(fā)明中，粉碎的方法可以采用氣流粉碎或者振動磨粉碎。
第二步將第一步制得的細顆粒在8(TC 13(TC條件下干燥2h 4h，獲得制備示 蹤粒子的芯核顆粒； 在本發(fā)明中，此步驟的干燥目的是將細顆粒中的水份去除，進一步降低細顆粒的 密度，同時在后續(xù)的表面包覆有機物薄膜過程中，防止水份的揮發(fā)而破壞所包覆的有機物薄膜。
第三步在第二步制得的芯核顆粒和有機物(改性劑)加入攪拌設(shè)備中，在攪拌環(huán)
境溫度為90°C 140。C，攪拌速度為1000r/min 2900r/min的條件下攪拌5min 15min
后，即制備得到具有疏水性、良好分散性及流場跟隨性的風洞用PIV示蹤粒子。 在此步驟中，100g的芯核顆粒中添加0. 5g 2g的改性劑。有機物(改性劑)可
以是硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑中的一種或兩種。 有機物薄膜在芯核顆粒表面的包覆過程是在目前工業(yè)上常用的攪拌設(shè)備中進行
的，可以是高速攪拌機或者槳葉式混合機。 實施例1 :制備平均粒徑為13. 4 ii m的PIV示蹤粒子 芯核選取玉米淀粉顆粒材料； 改性劑選取鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ-401和硅烷偶聯(lián)劑A-151復(fù)配的偶聯(lián)劑，其中復(fù)配 比例為NDZ-401 : A-151 = 2 : 1。
制備過程 第一步通過氣流粉碎的方法，在粉碎氣流壓力0. 6MPa、分級輪轉(zhuǎn)速2000r/min條
件下對玉米淀粉顆粒進行超細粉碎，粉碎后的淀粉顆粒平均粒徑為13. 4 ii m ; 第二步將第一步制得的平均粒徑為13.4ym的玉米淀粉在11(TC條件下干燥3h
后，制得干燥芯核顆粒； 第三步將第二步制得干燥的芯核顆粒和改性劑在高速混合機(選取SHR-5A高速 混合機，張家港市強大塑料機械有限公司生產(chǎn))中，在攪拌環(huán)境溫度為12(TC，攪拌速度為 2200r/min的條件下攪拌15min后，制備得到疏水性、具有良好分散性及流場跟隨性的風洞 用PIV示蹤粒子。 用量100g的芯核顆粒中添加lg的改性劑。 所制備的PIV示蹤粒子掃描電鏡照片如圖l所示，從圖中可以觀察到通過本發(fā)明 方法制備得到的PIV示蹤粒子單個顆粒粒度分布在8 ii m 16 ii m之間，分散性好，密度為 1. lg/cm3 1. 7g/cm3。 在風洞PIV實驗中所測得的粒子圖像如圖2所示，從圖中可以觀察到明亮的光斑
是PIV示蹤粒子。該PIV示蹤粒子在風洞流場中，流場跟隨性較好，能夠充分的反應(yīng)真實的
流場。說明經(jīng)本實施例方法制得的PIV示蹤粒子能夠很好的進行粒子識別與圖像處理。試
驗結(jié)果表明，該PIV示蹤粒子是一種性能優(yōu)異的風洞用PIV示蹤粒子。 實施例2 :制備平均粒徑為7. 6 ii m的PIV示蹤粒子 芯核選取油菜花粉顆粒材料； 改性劑選取鋁酸酯偶聯(lián)劑DL-2411-A。
制備過程 第一步通過振動磨粉碎的方法，粉碎3h后得到平均粒徑為7. 6ym的油菜花粉細 顆粒材料；
振動磨粉碎條件是振動頻率為55Hz，振幅為5mm，磨介質(zhì)為三種直徑的氧化鋯 球，不同磨介質(zhì)的用量為8mm氧化鋯球5mm氧化鋯球2咖氧化鋯球=5 : 3 : 2，粉碎 時間為30min ; 用量油菜花粉顆粒材料與磨介質(zhì)的質(zhì)量比為1 : 2; 在此步驟中，油菜花粉顆粒材料與磨介質(zhì)占振動磨粉碎設(shè)備的腔體體積的80%。
第二步將第一步制得的細顆粒在8(TC條件下干燥4h，獲得制備示蹤粒子的芯核 顆粒； 第三步將第二步制得的芯核顆粒和改性劑在槳葉式混合機中，在攪拌環(huán)境溫度 為90°C ，攪拌速度為2900r/min的條件下攪拌5min后，制備得到疏水性、具有良好分散性及 流場跟隨性的風洞用PIV示蹤粒子。
用量100g的芯核顆粒中添加1. 5g的改性劑。 將實施例2制備的風洞用PIV示蹤粒子在掃描電鏡下觀察，其單個顆粒的粒度分 布在4iim 10iim之間，分散性好，密度為0. 8g/cm3 1. 0g/cm3。 將實施例2制備的風洞用PIV示蹤粒子用于風洞PIV實驗中，試驗結(jié)果表明，該 PIV示蹤粒子在風洞流場中，流場跟隨性較好，能夠充分的反應(yīng)真實的流場。說明經(jīng)本實施 例方法制得的PIV示蹤粒子是一種性能優(yōu)異的風洞用PIV示蹤粒子。 本發(fā)明是一種以輕質(zhì)材料顆粒為芯核，制備風洞用PIV示蹤粒子的方法，該方法 首先選取輕質(zhì)材料(淀粉或者花粉)，對其進行超細粉碎處理，獲得粒度0. 2 ii m 20 ii m的 芯核顆粒，然后在其表面包覆一有機物(改性劑)薄膜，使其表面由親水性表面變?yōu)槭杷?表面，防止其在空氣中吸附水蒸氣而團聚，并提高芯核顆粒的分散性以及流動性，使其能夠 在空氣流場中均勻分散，并具有良好的流動跟隨性，從而制備得到一種風洞用PIV示蹤粒 子。該方法具有工藝簡單、穩(wěn)定可靠、成本低等優(yōu)點，采用該方法所制備的風洞用PIV示蹤 粒子能夠在風洞中均勻分散，具有良好的流場跟隨性，性能優(yōu)異且穩(wěn)定。
權(quán)利要求
一種風洞用PIV示蹤粒子，其特征在于該風洞用PIV示蹤粒子是以淀粉或花粉顆粒材料為芯核，并在芯核的表面包覆一層有機物薄膜構(gòu)成；有機物包覆量為芯核質(zhì)量的0.5％～2％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風洞用PIV示蹤粒子，其特征在于該風洞用PIV示蹤粒子的粒度為0. 5 ii m 22 ii m、密度為0. 5g/cm3 2. 0g/cm3。
3. —種制備如權(quán)利要求1所述的風洞用PIV示蹤粒子的方法，其特征在于有下列步驟第一步通過氣流粉碎或者振動磨粉碎的方法，將淀粉或者花粉材料粉碎至0. 2 m 20iim粒度的細顆粒；第二步將第一步制得的細顆粒在80°C 13(TC條件下干燥2h 4h，獲得制備示蹤粒子的芯核顆粒；第三步在第二步制得的芯核顆粒和有機物加入攪拌設(shè)備中，在攪拌環(huán)境溫度為90°C 140。C，攪拌速度為1000r/min 2900r/min的條件下攪拌5min 15min后，制得風洞用PIV示蹤粒子；在此步驟中，100g的芯核顆粒中添加0. 5g 2g的有機物；有機物可以是硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑中的一種或兩種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風洞用PIV示蹤粒子及其制備方法，該風洞用PIV示蹤粒子以淀粉或花粉顆粒材料為芯核，并在芯核的表面包覆一層0.5wt％～2wt％的有機物薄膜構(gòu)成。該風洞用PIV示蹤粒子的粒度為0.5μm～22μm、密度為0.5g/cm3～2.0g/cm3。制備風洞用PIV示蹤粒子首先選取輕質(zhì)材料，對其進行超細粉碎處理，獲得粒度0.2μm～20μm的芯核顆粒，然后在其表面包覆一有機物薄膜，使其表面由親水性表面變?yōu)槭杷员砻?，防止其在空氣中吸附水蒸氣而團聚，并提高芯核顆粒的分散性以及流動性，使其能夠在空氣流場中均勻分散，并具有良好的流動跟隨性。該方法具有工藝簡單、穩(wěn)定可靠、成本低等優(yōu)點，采用該方法所制備的風洞用PIV示蹤粒子能夠在風洞中均勻分散，具有良好的流場跟隨性，性能優(yōu)異且穩(wěn)定。
文檔編號G01M9/00GK101718617SQ20091023799
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者吳蕓, 沈志剛, 蔡楚江, 邢玉山, 麻樹林 申請人:北京航空航天大學(xué)