專利名稱：一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試 方法。
背景技術(shù)：
灌水器的結(jié)構(gòu)及其水力性能的優(yōu)劣對(duì)滴灌系統(tǒng)灌水的均勻性、抗堵塞能力、系統(tǒng) 壽命影響很大。要想設(shè)計(jì)出高抗堵塞性能的灌水器必須對(duì)其流道內(nèi)流體流動(dòng)的機(jī)理有一個(gè) 較為全面的了解，因而進(jìn)行灌水器流道內(nèi)部的流動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)部流體流動(dòng)的可視化， 為灌水器流道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的理論指導(dǎo)，已成為灌水器流道設(shè)計(jì)者的重要目標(biāo)。由于 灌水器流道狹窄且邊界復(fù)雜，原型試驗(yàn)在技術(shù)(常規(guī)滴灌管帶不透明)和經(jīng)濟(jì)上都比較困 難，常規(guī)手段難以滿足流場測試要求，因而進(jìn)行該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究受到了很大的限制，特別 是一種新型灌水器流道的研發(fā)，由于設(shè)計(jì)理論的不完善，往往需要進(jìn)行多次模型試驗(yàn)和反 復(fù)修改設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)開發(fā)周期長，投資較高。滴灌的灌溉水源通常都是天然水，其中存在大量的懸浮微粒。雖然利用各種工 程措施可以有效地控制懸浮微粒含量，但不可能將其完全清除，粒徑較小的部分顆粒必然 會(huì)進(jìn)入滴灌系統(tǒng)，因而灌水器流道內(nèi)為典型的顆粒流體系統(tǒng)，流態(tài)為瞬態(tài)粘性不可壓縮 固-液兩相湍流，王文娥等、蘆剛等、魏正英等分別利用計(jì)算流體力學(xué)CFDKomputational Fluid Dynamics)數(shù)值模擬的方法研究了灌水器迷宮流道內(nèi)兩相流動(dòng)特征，但相關(guān)的數(shù)值 模擬方法還缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去驗(yàn)證和支撐。實(shí)驗(yàn)研究是了解基本流動(dòng)過程、為理論分析提 供依據(jù)和發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值模擬方法的主要途徑。李云開利用粒子圖像測速DPIV(Digital Partical ImageVelocimetry,DPIV)技術(shù)可視化了灌水器流道內(nèi)部單相水流流動(dòng)的全場信 息，魏正英和喻黎明等利用粒子跟蹤技術(shù)研究了不同粒徑顆粒在灌水器中的流動(dòng)過程。但 總體而言，對(duì)于灌水器流道內(nèi)部單相流和固_液兩相流動(dòng)特征的測試研究還僅限于局部流 道，同時(shí)也僅實(shí)現(xiàn)了二維平面測試，還未見灌水器原型流道內(nèi)部單相流和固-液兩相流動(dòng) 的全場測試結(jié)果報(bào)道?；诖?，本發(fā)明擬將提出一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)單相和固-液 兩相流動(dòng)的準(zhǔn)三維全場測試方法?？傮w而言，目前國內(nèi)外還未見滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的三維全場測試方法報(bào) 道的主要原因在于(1)由于灌水器的復(fù)雜性與不透明性，導(dǎo)致灌水器流動(dòng)測試的原型試驗(yàn)在技術(shù)和 經(jīng)濟(jì)上都比較困難，常規(guī)手段難以滿足流場測試要求，因而進(jìn)行該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究受到了 很大的限制。部分學(xué)者以李云開等提出的灌水器透明平面模型，實(shí)現(xiàn)了灌水器流道內(nèi)流動(dòng) 特征的二維全場測試，流場速度分布圖也僅是流道深度方向的俯視效果。但由于模型設(shè)計(jì) 所限，難以實(shí)現(xiàn)灌水器流道內(nèi)垂直剖面的水流和顆粒物分布特征報(bào)道。因而，要實(shí)現(xiàn)灌水器 流道內(nèi)部流體流動(dòng)的多角度全場測試，必須尋求新的灌水器透明模型構(gòu)建方法；(2)灌水器迷宮流道尺寸一般在0. 5-1. 2mm之間，齒尖距通常在3. 0-5. 0mm之間， 采用常規(guī)的DPIV系統(tǒng)測試，會(huì)存在因拍攝區(qū)域過大而導(dǎo)致圖像質(zhì)量較差的結(jié)果出現(xiàn)，從而
5影響測試精度的準(zhǔn)確性；當(dāng)采用Micro-DPIV系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)，因拍攝的區(qū)域過小(齒尖附 近0. 5mmX0. 5mm)，導(dǎo)致流道流動(dòng)的全場特征無法顯示。因而，如何實(shí)現(xiàn)圖像分辨率和拍攝 區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展是目前急需解決的問題；(3)由于模型材料的透明性和機(jī)械加工過程中對(duì)材料平整度的改變等干擾，在進(jìn) 行DPIV測試過程中出現(xiàn)噪聲，從而影響流速測量精度。因而，如何解決DPIV測試圖像的噪 聲干擾問題也是提高流動(dòng)測試精度的關(guān)鍵之一。本發(fā)明就是在系統(tǒng)地解決上述問題的基礎(chǔ)上，提出一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)單 相和固-液兩相流動(dòng)的全場準(zhǔn)三維測試方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法，其特征在 于，將灌水器迷宮流道內(nèi)流體流動(dòng)視為典型的穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮流動(dòng)，忽略水滴滴落過程 引起的水擊對(duì)灌水器出流的影響；首先設(shè)計(jì)新型灌水器透明模型，以示蹤熒光粒子為基礎(chǔ)， 借助DPIV系統(tǒng)，借助示蹤粒子的跟隨運(yùn)動(dòng)表征水流運(yùn)動(dòng)行為；利用激光束照明流場，使用 CCD相機(jī)連續(xù)拍攝流場照片，對(duì)連續(xù)兩幀粒子圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從而得到流場一個(gè)切面內(nèi) 各點(diǎn)的速度流場特性參數(shù)；具體包括1)模型設(shè)計(jì)，Gilaad等指出灌水器流道不但尺寸非常小，流道邊界的粘性底層占 整個(gè)水流的比例很大，而且流道斷面尺寸和形狀都在不斷變化，局部水頭損失是流道的消 能的主要形式；Ozekici和Sneed指出齒形迷宮流道平均有98%的水頭損失發(fā)生在流道的 齒形結(jié)構(gòu)處，為此可以對(duì)灌水器塑料原型的消能單元進(jìn)行簡化，忽略流道進(jìn)口柵格的作用， 只保留消能主體迷宮式流道部分，為此將迷宮流道單元段入口工作壓力調(diào)整為該單元段的 水頭損失即可以模擬整個(gè)灌水器迷宮流道內(nèi)水的流動(dòng)，在確定灌水器各部分參數(shù)的基礎(chǔ) 上，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Pro/ENGINEER Wildfire 4. 0實(shí)現(xiàn)灌水器流道模型的三維重 構(gòu)；所設(shè)計(jì)的圓柱形灌水器流道模型結(jié)構(gòu)是在迷宮流道3的一端為進(jìn)水口 4，另一端為出水 口 1，整個(gè)模型固定在底座2上；2)測試系統(tǒng)組成本系統(tǒng)主要由軟件和硬件兩部分組成，硬件部分為有雙脈沖激光器8放置在灌水 器流道模型7的附近作為照明光源，CCD相機(jī)6正對(duì)灌水器流道模型7，供水系統(tǒng)9的水管連 接在灌水器流道模型7的進(jìn)水口 4，(XD相機(jī)6的信號(hào)傳輸線和計(jì)算機(jī)5連接；圖像采集由 (XD相機(jī)6擔(dān)任，所述軟件主要包括由魏潤杰提供的MicroVec Version 2. 0，對(duì)圖像采集、 粒子識(shí)別、結(jié)果顯示和結(jié)果計(jì)算的處理；及使用TecplotlO. 0軟件進(jìn)行渦量場、速度等值 線、流線以及速度矢量場的圖像結(jié)果的顯示；其中MicroVec Version 2. 0和TecplotlO. 0 軟件是北京立方大地科技公司銷售的產(chǎn)品3)流場測試對(duì)透明灌水器迷宮流道內(nèi)水的流場進(jìn)行準(zhǔn)三維測試，準(zhǔn)三維測試結(jié)果通過獲取 灌水器迷宮流道不同位置的圖像而實(shí)現(xiàn)，即在相互垂直的兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)灌水器迷宮流 道的可視化，流動(dòng)測試的參數(shù)主要是灌水器迷宮流道內(nèi)流體的速度矢量分布，試驗(yàn)過程涉 及單相流和兩相流兩種流動(dòng)特征的測試，單相流測試時(shí)選擇平均粒徑為4. 0 y m，密度為 1. 02Kg/m3的熒光粒子示蹤水流的流動(dòng)狀態(tài)。為了探索懸浮固體顆粒在流道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本試驗(yàn)選擇了平均粒徑為50iim和lOOiim，密度為1. 05Kg/m3的兩種熒光粒子示蹤固相顆 粒物。單相流試驗(yàn)測試具體步驟如下(a)試驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)化組合。采用步驟2)的測試系統(tǒng)，使模型在設(shè)計(jì)壓力下持續(xù)不間斷的工作，然后將其固定 在可以移動(dòng)平臺(tái)上，保證其工作期間的穩(wěn)定性；調(diào)整CCD相機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的位置，使CCD相機(jī) 鏡頭與灌水器流道模型被拍攝位置垂直；改變雙脈沖激光器出光口的方向，保證激光光束 將灌水器流道模型流道全部照亮，開啟全部設(shè)備，將激光能量，CCD相機(jī)焦距和拍攝效果統(tǒng) 一協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)；(b)布撒熒光粒子使用量筒每次取10ml熒光粒子倒入供水平臺(tái)上的灌水器流道模型的進(jìn)水口處的 水箱中，待混合均勻后再通過濃度檢測設(shè)備確認(rèn)其濃度是否滿足要求，若檢測結(jié)果不能達(dá) 到最佳效果，則繼續(xù)添加熒光粒子，以實(shí)現(xiàn)灌水器迷宮流道內(nèi)速度的可視化為止；(c)數(shù)據(jù)采集，將供水平臺(tái)的壓力調(diào)節(jié)到預(yù)定值，可調(diào)節(jié)范圍是0KPa-150KPa，待其工作穩(wěn)定后， 利用三維移動(dòng)平臺(tái)將CCD相機(jī)位置調(diào)整到模型的一端并記錄CCD相機(jī)在移動(dòng)平臺(tái)上的位 置，然后微調(diào)CCD相機(jī)與灌水器流道模型間的相對(duì)位置，對(duì)準(zhǔn)焦距，保證圖像的清晰度，設(shè) 置圖像之間的時(shí)間間隔，開始灌水器流道模型流道內(nèi)第一部分流動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，然后根據(jù) 移動(dòng)平臺(tái)上所記錄的刻度值，繼續(xù)使用位置調(diào)節(jié)螺旋將CCD相機(jī)水平移動(dòng)到下一個(gè)拍攝位 置，重復(fù)上述操作，進(jìn)行模型流道內(nèi)第二部分流動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。利用同樣的方式完成模型剩 余部分流道內(nèi)的數(shù)據(jù)采集。完成正面的數(shù)據(jù)采集后，調(diào)整透明灌水器流道模型的位置，使灌 水器流道模型流道的側(cè)面垂直于CCD相機(jī)的鏡頭，然后重復(fù)以上過程，繼續(xù)采集灌水器流 道模型流道內(nèi)側(cè)面的速度圖像，從而實(shí)現(xiàn)透明灌水器流道模型流道內(nèi)流速的三維測試。改 變壓力，重復(fù)以上操作，實(shí)現(xiàn)透明灌水器流道模型在不同工作壓力條件下的流速測試；(d)數(shù)據(jù)處理利用MicroVec V2. 0軟件對(duì)采集到的流動(dòng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，即該軟件中對(duì)速度 矢量的計(jì)算采用快速傅里葉變換技術(shù)和空間金字塔結(jié)合的方式；分析粒子圖像測速獲取的 流場粒子速度矢量分布結(jié)果；(e)結(jié)果分析利用Tecplot軟件，對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行后期加工，從而實(shí)現(xiàn)透明灌水器流道流 道的全場測試，分析結(jié)果如下透明灌水器迷宮流道在10KPa、50KPa、100KPa時(shí)的三種壓力 條件下流道單元段內(nèi)流速分布特征，以不同的箭頭代表了不同的流速，由流速分布圖可以 看出，在三種壓力條件下迷宮流道內(nèi)部流體流動(dòng)都呈復(fù)雜的紊流狀，在三種壓力條件下流 速分布特征相似。灌水器迷宮流道內(nèi)液體在10KPa、50KPa、100KPa時(shí)的三種壓力條件下垂直流道深 度方向的速度分布情況，該方向的流動(dòng)顯示結(jié)果從另一個(gè)角度說明了流道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特 征，從而突破了流道內(nèi)速度分布的二維測試局限；兩相流的測試，將單相流的水樣更換成清水，然后對(duì)整個(gè)供水平臺(tái)進(jìn)行多次清洗， 避免不同粒徑的熒光粒子間的相互干擾，對(duì)透明灌水器流道模型同樣進(jìn)行多次清洗，確保 其內(nèi)部沒有不同粒徑熒光粒子的殘留；然后重復(fù)單相流試驗(yàn)過程中的操作步驟，對(duì)兩相流的流動(dòng)特征進(jìn)行測試。其測試結(jié)果如下(a)灌水器迷宮流道在常規(guī)壓力條件下，兩相流的試驗(yàn)結(jié)果顯示同種壓力條件下 同一流道單元段內(nèi)兩種粒子的速度分布情況說明，在水流的作用下流道內(nèi)的固體粒子與水 流質(zhì)點(diǎn)的速度分布相似；(b)灌水器迷宮流道在常規(guī)壓力條件下，兩相流垂直流道深度方向的速度分布試 驗(yàn)結(jié)果顯示垂直流道深度方向拍攝的固體懸浮顆粒在流道內(nèi)的分布特征說明，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng) 到邊壁時(shí)，受到阻力的作用后流道方向明顯改變。所述對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行后期加工包括一是局部數(shù)據(jù)的整體化，即將對(duì)每個(gè)透 明滴頭各區(qū)域采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行銜接；二是數(shù)據(jù)顯示形式的優(yōu)化，即調(diào)整局部矢量的清晰度。所述布撒熒光粒子以示蹤灌水器流道內(nèi)單相和固_液兩相運(yùn)動(dòng)特征，粒子對(duì)于照 射其上的激光有很好的散射效應(yīng)，利用綠色激光激發(fā)，激發(fā)熒光波段在590nm-610nm，通過 濾波片濾色，圖像質(zhì)量非常高，去除了模型表面噪聲干擾；引入平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，示 蹤采用熒光粒子，利用濾波片濾掉熒光以外的噪聲，但由于在模型制作加工過程中難免會(huì) 有各種干擾出現(xiàn)，從而導(dǎo)致拍攝過程中有噪聲出現(xiàn)，最終影響流速測量精度，表征水流運(yùn)動(dòng) 的示蹤粒子需要考慮跟隨性的要求，基于粒子散射或熒光效應(yīng)強(qiáng)度的要求，該熒光顆粒材 料選用聚苯乙烯，其密度為1. 02Kg/m3,平均粒徑為4 u m,與水接近，稍有擾動(dòng)就能夠完全懸 浮，有效地解決了水泵葉輪將顆粒破壞的問題；所述布撒熒光粒子以示蹤灌水器流道固_液兩相運(yùn)動(dòng)特征，考慮粒子的跟隨性及 水體中雜志的復(fù)雜性，仍利用聚苯乙烯材料，加工密度為1.05Kg/m3，平均粒徑分別為50i!m 和100 u m兩種熒光粒子，經(jīng)過試驗(yàn)確定，較為適合兩相流的流動(dòng)顯示的熒光粒子濃度為4%。所述步驟2)的測試系統(tǒng)中，在CCD相機(jī)前加設(shè)一個(gè)電子顯微鏡，本系統(tǒng)選用了型 號(hào)SM-CCD4M15，其參數(shù)為2048 (H) X 2048 (V)pixel，12bit，電子快門，15幀/秒，兩幅圖像之 間的時(shí)間間隔最小為200ns ；本研究將CCD相機(jī)進(jìn)行改裝，將CCD相機(jī)鏡頭換接成北京大恒 (XD相機(jī)廠生產(chǎn)的4倍，G10-2111顯微鏡物鏡，充分發(fā)揮(XD相機(jī)與電子顯微鏡的特色，實(shí) 現(xiàn)拍攝區(qū)域與數(shù)字圖像分辨率的和諧統(tǒng)一。本發(fā)明的有益效果是構(gòu)建了透明的圓柱型灌水器流道模型和構(gòu)建了灌水器迷宮 流道內(nèi)流速測試系統(tǒng)利用顯微鏡物鏡改裝常規(guī)CCD相機(jī)，成功解決了灌水器流道這種臨界 尺度內(nèi)部流體流動(dòng)的拍攝區(qū)域與成像分辨率之間的矛盾，首次成功地實(shí)現(xiàn)了灌水器流道內(nèi) 流場的二維全場和準(zhǔn)三維局部無擾動(dòng)測試。具有迷宮式流道各單元段流動(dòng)特征與已有的數(shù) 值模擬和水流運(yùn)動(dòng)的全場測試結(jié)果顯示完全一致的特點(diǎn)。


圖1為透明灌水器流道模型圖。圖2為PIV測試系統(tǒng)圖。圖3為不同壓力條件下流道內(nèi)流速分布特征圖，圖中在灌水器迷宮流道內(nèi)(a)液 體工作壓力lOKPa、(b)液體工作壓力50KPa、(c)液體工作壓力lOOKPa。圖4不同壓力條件下垂直流道深度方向的速度分布特征圖，圖中在灌水器迷宮流道內(nèi)(a)液體工作壓力lOKPa、(b)液體工作壓力50KPa、(c)液體工作壓力lOOKPa。圖5兩相流局部速度分布圖；圖中(a) 50 iim粒子垂向速度分布，(b)100iim粒子 垂向速度分布.圖6兩相流垂直流道深度方向的速度分布圖；圖中(a) 50 ym粒子側(cè)向速度分布， (b) 100 u m粒子側(cè)向速度分布。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法，將灌水器迷宮流道 內(nèi)流體流動(dòng)視為典型的穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮流動(dòng)，忽略水滴滴落過程引起的水擊對(duì)灌水器出 流的影響；首先設(shè)計(jì)新型灌水器透明模型，以示蹤熒光粒子為基礎(chǔ)，借助DPIV系統(tǒng)，借助示 蹤粒子的跟隨運(yùn)動(dòng)表征水流運(yùn)動(dòng)行為；利用激光束照明流場，使用CCD相機(jī)連續(xù)拍攝流場 照片，對(duì)連續(xù)兩幀粒子圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從而得到流場一個(gè)切面內(nèi)各點(diǎn)的速度流場特性 參數(shù)；下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步說明。圖1所示為透明灌水器流道模型圖。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Pro/ ENGINEERffildfire 4. 0實(shí)現(xiàn)灌水器流道模型的三維重構(gòu)；所設(shè)計(jì)的圓柱形灌水器流道模 型結(jié)構(gòu)是在迷宮流道3的一端為進(jìn)水口 4，另一端為出水口 1，整個(gè)模型固定在底座2上。圖2所示為PIV測試系統(tǒng)圖。本系統(tǒng)主要由軟件和硬件兩部分組成，硬件部分為 有雙脈沖激光器8放置在灌水器流道模型7的附近作為照明光源，CCD相機(jī)6正對(duì)灌水器流 道模型7，供水系統(tǒng)9的水管連接在灌水器流道模型7的進(jìn)水口 4，CCD相機(jī)6的信號(hào)傳輸線 和計(jì)算機(jī)5連接；圖像采集由(XD相機(jī)6擔(dān)任，所述軟件主要包括由魏潤杰提供的MicroVec Version 2. 0，對(duì)圖像采集、粒子識(shí)別、結(jié)果顯示和結(jié)果計(jì)算的處理；及使用TecplotlO. 0軟 件進(jìn)行渦量場、速度等值線、流線以及速度矢量場的圖像結(jié)果的顯示；(MicroVec Version 2. 0和TecplotlO. 0軟件是北京立方天地科技公司銷售的產(chǎn)品)一般圖像測速法的圖像采集處理系統(tǒng)主要由跨幀(XD相機(jī)(跨幀數(shù)字相機(jī)—— Frame Straddle (XD，采集圖片時(shí)對(duì)時(shí)間間隔的控制跨越了每幀的數(shù)量級(jí))、濾光片、圖像 采集板和計(jì)算機(jī)組成。而對(duì)于本發(fā)明的灌水器流道(微管)流動(dòng)測試是在CCD相機(jī)前加 設(shè)一個(gè)電子顯微鏡。本系統(tǒng)選用了型號(hào)SM-CCD4M15CCD相機(jī)(2048 (H) X 2048 (V)pixel， 12bit，電子快門，15幀/秒，兩幅圖像之間的時(shí)間間隔最小為200ns。)。將CCD相機(jī)鏡頭 換接成北京大恒CCD相機(jī)廠生產(chǎn)的顯微鏡物鏡(規(guī)格4倍，型號(hào)G10-2111)，本發(fā)明利用套 筒聯(lián)接件進(jìn)行連接，充分發(fā)揮CCD相機(jī)與電子顯微鏡的特色，實(shí)現(xiàn)拍攝區(qū)域與數(shù)字圖像分 辨率的和諧統(tǒng)一(拍攝區(qū)域達(dá)4mmX 4mm)，對(duì)區(qū)域流速平均場進(jìn)行銜接，實(shí)現(xiàn)全場測量。本發(fā)明的照明光源由于激光器的能量高、方向性好、穩(wěn)定性好、單色性和脈沖控制 等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字式粒子圖像測速領(lǐng)域中的照明光源。本系統(tǒng)使用的雙脈沖激 光器型號(hào)為SM-LASER350-10。激光器的各項(xiàng)主要技術(shù)參數(shù)如下工作頻率10Hz和15Hz、波 長532nm、激光能量350mJ和300mJ，脈沖寬度小于6ns。目前國外已有科研院所開發(fā)了示蹤粒子，但由于在模型制作加工過程中難免會(huì)有 各種干擾出現(xiàn)，從而導(dǎo)致拍攝過程中有噪聲出現(xiàn)，最終影響流速測量精度，因而本研究需要 引入平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，示蹤采用熒光粒子，利用濾波片濾掉熒光以外的噪聲?；?粒子散射或熒光效應(yīng)強(qiáng)度的要求，本發(fā)明人員自行開發(fā)了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熒光顆粒，以示蹤灌水器流道內(nèi)單相和固_液兩相運(yùn)動(dòng)特征。粒子對(duì)于照射其上的激光有很好的 散射效應(yīng)，利用綠色激光激發(fā)，激發(fā)熒光波段在690nm以上，通過濾波片濾色，圖像質(zhì)量非 常高，去除了模型表面噪聲干擾。表征水流運(yùn)動(dòng)的示蹤粒子需要考慮跟隨性的要求，在本發(fā) 明中粒子材料選用聚苯乙烯，可以有效地解決了水泵葉輪將顆粒破壞的問題。其密度約為 1.02，平均粒徑約在4 ym，與水接近，稍有擾動(dòng)就能夠完全懸浮。對(duì)于研究灌水器流道內(nèi)懸 浮顆粒物在灌水器中的運(yùn)移規(guī)律，刻畫固-液兩相流動(dòng)特征，需要開發(fā)了不同密度、不同粒 徑的熒光粒子。本發(fā)明考慮粒子的跟隨性及水體中雜志的復(fù)雜性，仍利用聚苯乙烯材料，加 工密度為1. 05Kg/m3，平均粒徑分別為50 ii m和100 y m兩種熒光粒子，經(jīng)過試驗(yàn)確定熒光粒 子濃度為4%時(shí)較為適合兩相流的流動(dòng)顯示。實(shí)例本發(fā)明中重點(diǎn)內(nèi)容是進(jìn)行單相和兩相流的準(zhǔn)三維流速分布測試。下面以自行設(shè)計(jì) 的灌水器迷宮流道內(nèi)流速測試為例進(jìn)行闡述，具體步驟如下流場測試本次試驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容是對(duì)透明灌水器迷宮流道內(nèi)的流場進(jìn)行準(zhǔn)三維測試。準(zhǔn)三維 測試結(jié)果通過獲取流道不同位置的圖像而實(shí)現(xiàn)，即在相互垂直的兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)流道的可 視化。流動(dòng)測試的參數(shù)主要是灌水器迷宮流道內(nèi)流體的速度矢量分布。試驗(yàn)過程涉及單相 流和兩相流兩種流動(dòng)特征的測試，單相流測試時(shí)選擇平均粒徑為4. 0 y m，密度為1. 05Kg/m3 的熒光粒子示蹤水流的流動(dòng)狀態(tài)。為了探索懸浮固體顆粒在流道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本試驗(yàn)選 擇了平均粒徑為50 y m和100 u m，密度為1. 05Kg/m3的兩種熒光粒子示蹤固相顆粒物。單 相流試驗(yàn)測試具體步驟如下(a)試驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)化組合。首先，將上述圖2所示的透明灌水器流道模型與供水循環(huán)系統(tǒng)銜接，實(shí)現(xiàn)模型在 設(shè)計(jì)壓力下持續(xù)不間斷的工作，然后將其固定在可以移動(dòng)平臺(tái)上，保證其工作期間的穩(wěn)定 性；調(diào)整CCD相機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的位置，使CCD相機(jī)鏡頭與模型被拍攝位置垂直；改變脈沖激光 器出光口的方向，保證激光光束將模型流道全部照亮。開啟全部設(shè)備，將激光能量，CCD相 機(jī)焦距和拍攝效果統(tǒng)一協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)。試驗(yàn)設(shè)備相對(duì)位置如圖2所示。(b)布撒熒光粒子根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，熒光粒子濃度的確定需要不斷地嘗試。使用量筒每次取少許熒光 粒子倒入供水平臺(tái)的水箱中，待混合均勻后再通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備確認(rèn)其濃度是否滿足要 求，若采集結(jié)果不能達(dá)到最佳效果，則繼續(xù)添加熒光粒子，直到測試結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)速 度的可視化為止。(c)數(shù)據(jù)采集。將供水平臺(tái)的壓力調(diào)節(jié)到預(yù)定值，待其工作穩(wěn)定后，利用三維移動(dòng)平臺(tái)將CCD相 機(jī)位置調(diào)整到模型的一端并記錄CCD相機(jī)在移動(dòng)平臺(tái)上的位置，然后微調(diào)CCD相機(jī)與模型 間的相對(duì)位置，對(duì)準(zhǔn)焦距，保證圖像的清晰度，設(shè)置圖像之間的時(shí)間間隔，開始模型流道內(nèi) 第一部分流動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。然后根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)上所記錄的刻度值，繼續(xù)使用位置調(diào)節(jié)螺旋 將CCD相機(jī)水平移動(dòng)到下一個(gè)拍攝位置，重復(fù)上述操作，進(jìn)行模型流道內(nèi)第二部分流動(dòng)數(shù) 據(jù)的采集。利用同樣的方式完成模型剩余部分流道內(nèi)的數(shù)據(jù)采集。完成正面的數(shù)據(jù)采集 后，調(diào)整透明灌水器流道模型的位置，使流道模型的側(cè)面垂直于CCD相機(jī)的鏡頭，然后重復(fù)以上過程，繼續(xù)采集流道內(nèi)側(cè)面的速度圖像，從而實(shí)現(xiàn)透明原型灌水器迷宮流道內(nèi)流速的 三維測試。改變壓力，重復(fù)以上操作，實(shí)現(xiàn)透明灌水器流道模型在不同工作壓力條件下的流 速測試。(d)數(shù)據(jù)處理利用MicroVec V2. 0粒子圖像測速系統(tǒng)分析軟件對(duì)試驗(yàn)采集到的流動(dòng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn) 行計(jì)算，主要獲取流場的速度矢量分布結(jié)果。(e)結(jié)果分析利用Tecplot軟件，對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行后期加工，從而實(shí)現(xiàn)透明灌水器迷宮流 道的全場測試。分析結(jié)果如下透明灌水器迷宮流道內(nèi)液體在10KPa、50KPa、100KPa時(shí)的三 種壓力條件下流道流速分布特征，結(jié)果如圖3所示，圖中空心與實(shí)心的箭頭代表了不同的 流速。由流速分布圖可以看出，在灌水器迷宮流道內(nèi)液體流速在10KPa、50KPa、100KPa時(shí)的 三種壓力條件下迷宮流道內(nèi)部流體流動(dòng)都呈復(fù)雜的紊流狀。在三種壓力條件下流速分布特 征相似。灌水器迷宮流道內(nèi)液體在10KPa、50KPa、100KPa時(shí)的三種壓力條件下垂直流道深 度方向的速度分布情況，測試結(jié)果如圖4所示空心與實(shí)心的箭頭代表了不同的流速。該方 向的流動(dòng)顯示結(jié)果從另一個(gè)角度說明了流道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特征。從而突破了流道內(nèi)速度分 布的二維測試局限，在國內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了灌水器原型流道內(nèi)的三維流速測試。兩相流的測試，將單相流的水樣更換成清水，然后對(duì)整個(gè)供水平臺(tái)進(jìn)行多次清洗， 避免不同粒徑的熒光粒子間的相互干擾，對(duì)透明灌水器流道模型同樣進(jìn)行多次清洗，確保 其內(nèi)部沒有不同粒徑熒光粒子的殘留。然后重復(fù)單相流試驗(yàn)過程中的操作步驟，對(duì)兩相流 的流動(dòng)特征進(jìn)行測試。其測試結(jié)果如下(a)灌水器迷宮流道在常規(guī)壓力條件下，兩相流的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示圖中空心 與實(shí)心的箭頭代表了不同的流速。同種壓力條件下同一流道單元段內(nèi)兩種粒子的速度分布 情況說明，在水流的作用下流道內(nèi)的固體粒子與水流質(zhì)點(diǎn)的速度分布相似。(b)灌水器迷宮流道在常規(guī)壓力條件下，兩相流垂直流道深度方向的速度分布試 驗(yàn)結(jié)果如圖6所示圖中空心與實(shí)心的箭頭代表了不同的流速。垂直流道深度方向拍攝的固 體懸浮顆粒在流道內(nèi)的分布特征說明，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到邊壁時(shí)，受到阻力的作用后流道方向 明顯改變。
權(quán)利要求
一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法，其特征在于，將灌水器迷宮流道內(nèi)流體流動(dòng)視為典型的穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮流動(dòng)，忽略水滴滴落過程引起的水擊對(duì)灌水器出流的影響；首先設(shè)計(jì)新型灌水器透明模型，以示蹤熒光粒子為基礎(chǔ)，借助DPIV系統(tǒng)，借助示蹤粒子的跟隨運(yùn)動(dòng)表征水流運(yùn)動(dòng)行為；利用激光束照明流場，使用CCD相機(jī)連續(xù)拍攝流場照片，對(duì)連續(xù)兩幀粒子圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從而得到流場一個(gè)切面內(nèi)各點(diǎn)的速度流場特性參數(shù)；具體包括1)模型設(shè)計(jì)，Gilaad等指出灌水器流道不但尺寸非常小，流道邊界的粘性底層占整個(gè)水流的比例很大，而且流道斷面尺寸和形狀都在不斷變化，局部水頭損失是流道的消能的主要形式；Ozekici和Sneed指出齒形迷宮流道平均有98％的水頭損失發(fā)生在流道的齒形結(jié)構(gòu)處，為此可以對(duì)灌水器塑料原型的消能單元進(jìn)行簡化，忽略流道進(jìn)口柵格的作用，只保留消能主體迷宮式流道部分，為此將迷宮流道單元段入口工作壓力調(diào)整為該單元段的水頭損失即可以模擬整個(gè)灌水器迷宮流道內(nèi)水的流動(dòng)，在確定灌水器各部分參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Pro/ENGINEER Wildfire 4.0實(shí)現(xiàn)灌水器流道模型的三維重構(gòu)；所設(shè)計(jì)的圓柱形灌水器流道模型結(jié)構(gòu)是在迷宮流道3的一端為進(jìn)水口4，另一端為出水口1，整個(gè)模型固定在底座2上；2)測試系統(tǒng)組成本系統(tǒng)主要由軟件和硬件兩部分組成，硬件部分為有雙脈沖激光器8放置在灌水器流道模型7的附近作為照明光源，CCD相機(jī)6正對(duì)灌水器流道模型7，供水系統(tǒng)9的水管連接在灌水器流道模型7的進(jìn)水口4，CCD相機(jī)6的信號(hào)傳輸線和計(jì)算機(jī)5連接；圖像采集由CCD相機(jī)6擔(dān)任，所述軟件主要包括由魏潤杰提供 的MicroVec Version 2.0，對(duì)圖像采集、粒子識(shí)別、結(jié)果顯示和結(jié)果計(jì)算的處理；及使用Tecplot10.0軟件進(jìn)行渦量場、速度等值線、流線以及速度矢量場的圖像結(jié)果的顯示；其中MicroVec Version 2.0和Tecplot10.0軟件是北京立方天地科技公司銷售的產(chǎn)品3)流場測試對(duì)透明灌水器迷宮流道內(nèi)水的流場進(jìn)行準(zhǔn)三維測試，準(zhǔn)三維測試結(jié)果通過獲取灌水器迷宮流道不同位置的圖像而實(shí)現(xiàn)，即在相互垂直的兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)灌水器迷宮流道的可視化，流動(dòng)測試的參數(shù)主要是灌水器迷宮流道內(nèi)流體的速度矢量分布，試驗(yàn)過程涉及單相流和兩相流兩種流動(dòng)特征的測試，單相流測試時(shí)選擇平均粒徑為4.0μm，密度為1.05Kg/m3的熒光粒子示蹤水流的流動(dòng)狀態(tài)。為了探索懸浮固體顆粒在流道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本試驗(yàn)選擇了平均粒徑為50μm和100μm，密度為1.05Kg/m3的兩種熒光粒子示蹤固相顆粒物。單相流試驗(yàn)測試具體步驟如下(a)試驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)化組合。采用步驟2)的測試系統(tǒng)，使模型在設(shè)計(jì)壓力下持續(xù)不間斷的工作，然后將其固定在可以移動(dòng)平臺(tái)上，保證其工作期間的穩(wěn)定性；調(diào)整CCD相機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的位置，使CCD相機(jī)鏡頭與灌水器流道模型被拍攝位置垂直；改變雙脈沖激光器出光口的方向，保證激光光束將灌水器流道模型流道全部照亮，開啟全部設(shè)備，將激光能量，CCD相機(jī)焦距和拍攝效果統(tǒng)一協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)；(b)布撒熒光粒子使用量筒每次取10ml熒光粒子倒入供水平臺(tái)上的灌水器流道模型的進(jìn)水口處的水箱中，待混合均勻后再通過濃度檢測設(shè)備確認(rèn)其濃度是否滿足要求，若檢測結(jié)果不能達(dá)到最佳效果，則繼續(xù)添加熒光粒子，以實(shí)現(xiàn)灌水器迷宮流道內(nèi)速度 的可視化為止；(c)數(shù)據(jù)采集，將供水平臺(tái)的壓力調(diào)節(jié)到預(yù)定值，可調(diào)節(jié)范圍是0KPa-150KPa，待其工作穩(wěn)定后，利用三維移動(dòng)平臺(tái)將CCD相機(jī)位置調(diào)整到模型的一端并記錄CCD相機(jī)在移動(dòng)平臺(tái)上的位置，然后微調(diào)CCD相機(jī)與灌水器流道模型間的相對(duì)位置，對(duì)準(zhǔn)焦距，保證圖像的清晰度，設(shè)置圖像之間的時(shí)間間隔，開始灌水器流道模型流道內(nèi)第一部分流動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，然后根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)上所記錄的刻度值，繼續(xù)使用位置調(diào)節(jié)螺旋將CCD相機(jī)水平移動(dòng)到下一個(gè)拍攝位置，重復(fù)上述操作，進(jìn)行模型流道內(nèi)第二部分流動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。利用同樣的方式完成模型剩余部分流道內(nèi)的數(shù)據(jù)采集。完成正面的數(shù)據(jù)采集后，調(diào)整透明灌水器流道模型的位置，使灌水器流道模型流道的側(cè)面垂直于CCD相機(jī)的鏡頭，然后重復(fù)以上過程，繼續(xù)采集灌水器流道模型流道內(nèi)側(cè)面的速度圖像，從而實(shí)現(xiàn)透明灌水器流道模型流道內(nèi)流速的三維測試。改變壓力，重復(fù)以上操作，實(shí)現(xiàn)透明灌水器流道模型在不同工作壓力條件下的流速測試；(d)數(shù)據(jù)處理利用MicroVec V2.0軟件對(duì)采集到的流動(dòng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，即該軟件中對(duì)速度矢量的計(jì)算采用快速傅里葉變換技術(shù)和空間金字塔結(jié)合的方式；分析粒子圖像測速獲取的流場粒子速度矢量分布結(jié)果；(e)結(jié)果分析利用Tecplot軟件，對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行后期加工，從而實(shí)現(xiàn)透明灌水器流道流道的全場測試，分析結(jié)果如下透明灌水器迷宮流道內(nèi)液體流速在10KPa、50KPa、100KPa時(shí)的三種壓力條件下流道單元段內(nèi)流速分布特征，以不同的箭頭代表了不同的流速，由流速分布圖可以看出，在三種壓力條件下迷宮流道內(nèi)部 流體流動(dòng)都呈復(fù)雜的紊流狀，在三種壓力條件下流速分布特征相似。灌水器迷宮流道內(nèi)液體流速在10KPa、50KPa、100KPa時(shí)的三種壓力條件下垂直流道深度方向的速度分布情況，該方向的流動(dòng)顯示結(jié)果從另一個(gè)角度說明了流道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特征，從而突破了流道內(nèi)速度分布的二維測試局限；兩相流的測試，將單相流的水樣更換成清水，然后對(duì)整個(gè)供水平臺(tái)進(jìn)行多次清洗，避免不同粒徑的熒光粒子間的相互干擾，對(duì)透明灌水器流道模型同樣進(jìn)行多次清洗，確保其內(nèi)部沒有不同粒徑熒光粒子的殘留；然后重復(fù)單相流試驗(yàn)過程中的操作步驟，對(duì)兩相流的流動(dòng)特征進(jìn)行測試。其測試結(jié)果如下(a)灌水器迷宮流道在常規(guī)壓力條件下，兩相流的試驗(yàn)結(jié)果顯示同種壓力條件下同一流道單元段內(nèi)兩種粒子的速度分布情況說明，在水流的作用下流道內(nèi)的固體粒子與水流質(zhì)點(diǎn)的速度分布相似；(b)灌水器迷宮流道在常規(guī)壓力條件下，兩相流垂直流道深度方向的速度分布試驗(yàn)結(jié)果顯示垂直流道深度方向拍攝的固體懸浮顆粒在流道內(nèi)的分布特征說明，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到邊壁時(shí)，受到阻力的作用后流道方向明顯改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法，其特征在 于，所述對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行后期加工包括一是局部數(shù)據(jù)的整體化，即將對(duì)每個(gè)透明滴頭 各區(qū)域采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行銜接；二是數(shù)據(jù)顯示形式的優(yōu)化，即調(diào)整局部矢量的清晰度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法，其特征在 于，所述布撒熒光粒子以示蹤灌水器流道內(nèi)單相和固-液兩相運(yùn)動(dòng)特征，粒子對(duì)于照射其 上的激光有很好的散射效應(yīng)，利用綠色激光激發(fā)，激發(fā)熒光波段在590nm-610nm，通過濾波 片濾色，圖像質(zhì)量非常高，去除了模型表面噪聲干擾；引入平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，示蹤采 用熒光粒子，利用濾波片濾掉熒光以外的噪聲，但由于在模型制作加工過程中難免會(huì)有各 種干擾出現(xiàn)，從而導(dǎo)致拍攝過程中有噪聲出現(xiàn)，最終影響流速測量精度，表征水流運(yùn)動(dòng)的示 蹤粒子需要考慮跟隨性的要求，基于粒子散射或熒光效應(yīng)強(qiáng)度的要求，該熒光顆粒材料選 用聚苯乙烯，其密度為1. 02Kg/m3,平均粒徑為4 μ m,與水接近，稍有擾動(dòng)就能夠完全懸浮， 有效地解決了水泵葉輪將顆粒破壞的問題。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法，其特征在 于，所述布撒熒光粒子以示蹤灌水器流道固-液兩相運(yùn)動(dòng)特征，考慮粒子的跟隨性及水體 中雜志的復(fù)雜性，仍利用聚苯乙烯材料，加工密度為1. 05Kg/m3,平均粒徑分別為50 μ m和 100 μ m兩種熒光粒子，經(jīng)過試驗(yàn)確定，較為適合兩相流的流動(dòng)顯示的熒光粒子濃度為4%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法，其特征在 于，所述步驟2)的測試系統(tǒng)中，在CCD相機(jī)前加設(shè)一個(gè)電子顯微鏡，本系統(tǒng)選用了型號(hào) SM-CCD4M15，其參數(shù)為2048(H) X 2048 (V) pixel，12bit，電子快門，15幀/秒，兩幅圖像之 間的時(shí)間間隔最小為200ns ；本研究將CCD相機(jī)進(jìn)行改裝，將CCD相機(jī)鏡頭換接成北京大恒 CXD相機(jī)廠生產(chǎn)的4倍，G10-2111顯微鏡物鏡，充分發(fā)揮CXD相機(jī)與電子顯微鏡的特色，實(shí) 現(xiàn)拍攝區(qū)域與數(shù)字圖像分辨率的和諧統(tǒng)一。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域的一種滴灌灌水器迷宮流道內(nèi)流動(dòng)的全場測試方法。首先構(gòu)建了透明的圓柱型灌水器流道模型和構(gòu)建了灌水器迷宮流道內(nèi)流速測試系統(tǒng)，以示蹤熒光粒子為基礎(chǔ)，借助DPIV系統(tǒng)，借助示蹤粒子的跟隨運(yùn)動(dòng)表征水流運(yùn)動(dòng)行為；利用激光束照明流場，使用CCD相機(jī)連續(xù)拍攝流場照片，對(duì)連續(xù)兩幀粒子圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從而得到速度流場特性參數(shù)。本發(fā)明利用顯微鏡物鏡改裝常規(guī)CCD相機(jī)，成功解決了灌水器流道這種臨界尺度內(nèi)部流體流動(dòng)的拍攝區(qū)域與成像分辨率之間的矛盾，成功實(shí)現(xiàn)了灌水器流道內(nèi)流場的二維全場和準(zhǔn)三維局部無擾動(dòng)測試。具有迷宮式流道流動(dòng)特征與已有的數(shù)值模擬和水流運(yùn)動(dòng)的全場測試結(jié)果顯示完全一致的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P5/22GK101852814SQ20101016367
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者劉洪祿, 劉海生, 徐宏兵, 徐飛鵬, 李云開, 楊培嶺 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)