CN104316291B - 基于piv的混合液体的流场和浓度测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体测量技术领域，公开了一种基于PIV的混合流体的流场和浓度测量装置及使用该装置测量流场或浓度的方法。所述测量装置包括主水箱、实验箱体、缓冲罐、储水箱及PIV***；主水箱分为A区箱体和B区箱体，分别提供混合管路液体和主管路液体，液体在实验箱体中混合，通过PIV***进行流场或浓度的测量。在主水箱和缓冲罐中的水布撒示踪粒子，可通过PIV***对混合液体的流场进行测量；在主水箱两个箱体分别添加荧光粒子配制不同浓度，可通过PIV***结合LIF***对混合液体的浓度进行测量。本发明所述测量装置可以实现在同一装置中进行混合流场和混合浓度的测量，既可以节约水和示踪粒子，又可以对流场和浓度进行实时检测。
Description
技术领域
本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种基于PIV的混合流体的流场和浓度测量装置，及使用该装置测量流场或浓度的方法。
背景技术
目前，测量液体流场的方法有：(1)比托管测速法，采用比托管按照能量守恒定律测量速度，具有结构简单，使用方便，测量精度高，稳定性好等优点；(2)热线/热膜测速法，利用热平衡原理来测量流体的平均速度和脉动速度，具有惯性小，频率响应宽，灵敏度高，对流场干扰小的优点；(3)LDV(Laser Doppler Velocity)激光多普勒及相关技术，应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速，具有线性特性与非接触测量的优点；(4)PIV(Particle Image Velocimetry)技术，又称粒子图像测速法，作为一种非接触式的测量方法，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，具备单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。目前采用PIV技术测量流场的比较多，但是均有比较强的针对性，如北京航空航天大学发明的一种叶轮机械内部流场测量方法，专门针对叶轮机械内部流场的测量，专利号为CN1700019A；在浙江大学石惠娴的博士论文“循环流化床流动特性PIV测试和数值模拟”中，采用自行构建的PIV***对循环流化床冷态流场进行了试验研究，获得了不同工况下气固两相流动特性；Christian Drumm和MarkW在AIChE Journal中公开了一种工业比例转盘接触器的数值模拟和PIV测量方法，采用了由CaCl2和水组成的吸盘的光感***，利用两相PIV测量方法测量了工业比例转盘接触器的局部湍动耗散率。
另外，国内外有很多种测量溶液浓度的方法。常用的几种测量浓度方法有以下几种：(1)滴定法，通过化学分析的方法得到溶液的浓度；(2)比重计测浓度法，通过比重计测量溶液的密度，然后采用换算的方法得到溶液的浓度，是一种间接测量的方法；(3)折射计法，根据光的折射定律测量液体折射率，再由折射率进一步求得液体浓度，该方法简捷，准确度较高；(4)超声波测量法，利用溶液中声波的传播速度与溶剂的浓度有密切的关系，测量超声波的声速，并根据声速和浓度的关系，测量出溶液的浓度。除上述的方法以外，还可以利用PIV***结合LIF(Laser Induce Fluorescene，激光诱导荧光)技术来测量混合液体的浓度，该方法的关键在于捕获荧光和过滤掉被称为“噪声源”的激发光，利用在浓度不高时，光吸收现象很弱并且局部浓度由发射荧光来决定的理论，采用下面的公式：
根据公式知道，测量溶液的浓度与荧光的强度成正比，从而根据荧光的强度直接得到溶液的浓度。目前PIV***结合LIF技术的测量方法主要在国外报道比较多，但有较强的针对性。如：日本东京海洋研究所Atsuhide Kitagawa采用PIV和LIF技术测量了垂直管和水平通道中微气泡的湍动结构；A.Fujiwara在期刊《Experiments in Fluids》中公开了采用PIV和LIF技术研究单维空间气泡附近的流动结构和两维空间中气泡变形的测量方法。而在国内采用PIV***结合LIF技术测量浓度的报道比较少。
目前还没有见到基于PIV技术的既能测量流场又能测量浓度的装置及方法的相关报道
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置，通过该装置既可以实现多种液体以不同流量在不同位置混合的流场测量，又可以实现混合液体以不同流量和不同初始浓度在不同位置进行混合后的浓度测量；
本发明的另一目的在于提供采用上述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置的测量混合液体流场的方法；
本发明的再一目的在于提供采用上述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置的测量混合液体浓度的方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置，包括主水箱、实验箱体、缓冲罐、储水箱及PIV***；
其中，主水箱由隔板分开为A区箱体和B区箱体组成；A区箱体通过管路依次连接第一水泵、混合管路阀门、第一流量计、缓冲罐及实验箱体；B区箱体通过管路依次连接第二水泵、主管路阀门、第二流量计及实验箱体；
实验箱体与储水箱通过管路连接；
储水箱出水管路分为两路，分别为循环管路和排水管路；循环管路设置有第一阀门，循环管路连通至主水箱；排水管路设置有第二阀门，排水管路向外部排出；
所述PIV***包括激光发生器、CCD相机、同步器、微型计算机及LIF模块；
进一步方案为，B区箱体连通至实验箱体2的管路的进口位于实验箱体2的前端位置；
进一步方案为，所述主水箱的隔板设置有可开关的连通孔；所述连通孔可根据测量目的的需要选择打开或关闭，当连通孔关闭时，A区箱体与B区箱体互不相通，可存放不同的液体；当连通孔打开时，A区箱体与B区箱体连通，可进行液体的混合；
进一步方案为，所述缓冲罐设置多个出口，所述实验箱体上设置对应数量的支管进口，缓冲罐的各个出口分别通过支管路与所述实验箱体上的支管进口连接，各支管路都设置阀门；
进一步方案为，所述实验箱体的各支管进口均匀水平分布，设置在实验箱体的侧壁；
实验箱体支管进口的数量，根据测量要求选择，可选择3～10个支管进口；通过在实验箱体设置不同的支管进口，结合各支管路的开关，从而实现实验箱体在不同位置和以不同流量注入液体的控制，可配合进行混合液体的流场测量或浓度测量；
进一步方案为，所述第一水泵设置变频控制***，所述第二水泵设置有变频控制***；
通过变频控制***，可控制第一水泵和第二水泵的流量，以控制流入实验箱体的液体流量；
进一步方案为，所述实验箱体采用可视光学材料制成；更进一步方案为，，所述实验箱体采用有机玻璃材料制成；
采用可视光学材料，可满足PIV***的测量需求；
进一步方案为，所述储水箱的出水管道设置第三水泵；设置第三水泵的作用，是为了出水压力不足的情况下，提升出水压力，将出水输送至主水箱或排出装置外。
采用上述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的流场的方法，包括如下步骤：
(1)在主水箱的A区箱体和B区箱体注入测量液体，然后分别均匀布撒示踪粒子；所述示踪粒子的密度与测量液体的密度一致；
(2)在实验箱体旁边选取拍摄视角，将PIV***的激光发生器放置在实验箱体的底部，将CCD相机放置在实验箱体的侧面，相对位置呈90度，采用单通道滤光片；
(3)开启第二水泵将B区箱体中带有示踪粒子的测量液体输送到实验箱体；开启第一水泵将A区箱体中带有示踪粒子的测量液体输送到缓冲罐；
(4)通过控制缓冲罐不同支管路阀门的启闭，将A区箱体的测量液体输入到实验箱体中，与注入的B区箱体的测量液体进行混合，形成混合液体；开启PIV***，对实验箱体中需要测量的流场部分进行标定，调整参数设置以得到清晰的流场图像；当带有示踪粒子的液体流经实验箱体的过程中，对其流场进行拍摄，并采集数据，对采集数据进行分析，得到混合液体的流场的数据参数；
通过控制缓冲罐不同支管路阀门的启闭，可得到不同位置和不同流量的测量液体混合的流场；
所述混合液体的流场的数据参数包括速度矢量、涡量及湍动能；
(5)从实验箱体流出的混合液体进入储水箱中，开启第一阀门，关闭第二阀门，将储水箱中的混合液体输送至主水箱中，注入到A区箱体和B区箱体；输送回主水箱的混合液体，可循环进行上述测量流场的操作。
采用上述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，包括如下步骤：
(1)在主水箱的A区箱体和B区箱体分别注入不同浓度的测量液体，然后分别加入荧光粒子；
所述荧光粒子，为
(2)在实验箱体旁边选取拍摄视角，将PIV***的激光发生器放置在实验箱体的底部，将CCD相机放置在实验箱体的侧面，相对位置呈90度，采用彩色滤光片；
(3)开启第二水泵将B区箱体中带有荧光粒子的测量液体输送到实验箱体；开启第一水泵将A区箱体中带有荧光粒子的测量液体输送到缓冲罐；
(4)通过控制缓冲罐不同支管路阀门的启闭，将A区箱体的测量液体输入到实验箱体中，与注入的B区箱体的测量液体进行混合，形成混合液体；开启PIV***，对实验箱体中需要测量的混合区域进行标定，调整参数设置以得到清晰的图像；当含有荧光粒子的液体流经实验箱体的过程中，对其混合浓度进行拍摄，并采集数据，对采集数据进行分析，得到混合液体的混合浓度规律曲线；
通过控制缓冲罐不同支管路阀门的启闭，可得到不同位置和不同流量的测量液体的混合浓度变化；
(5)从实验箱体流出的混合液体进入储水箱中，开启第二阀门，关闭第一阀门，将储水箱中的混合液体向外排出。
采用本发明所述测量装置，从流场测量方面克服了单点测量、对流场具有干扰性、不能测量瞬态流场，无法获得整个流场等缺陷；从测量浓度方面克服了间接测量、准确度不够，不能测量瞬态浓度，无法获得整个流场的浓度等缺陷；本发明具有以下优点：
(1)本发明所述测量装置既能测量混合液体的流场，又能测量混合液体的浓度，具有融合性和多功能性。
(2)本发明所述测量装置具有灵活性，可以改变流量、位置、浓度，从而实现多种流场和多种浓度的测量。
(3)本发明所述测量装置能够实现实时测量，可以移动PIV***的位置，实现不同位置的混合浓度和混合液体的测量。
附图说明
图1为本发明所述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置的结构示意图。
图2为本发明所述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置中缓冲罐与实验箱体的多支管路的连接示意图。
图3为测量所得混合液体的部分流场的示意图。
图4为实施例3测量的实验箱体混合液体的浓度曲线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置，包括主水箱1、实验箱体2、缓冲罐3、储水箱4及PIV***5；所述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置的结构示意图如图1所示。
其中，主水箱1由隔板分开为A区箱体和B区箱体组成；A区箱体通过管路依次连接第一水泵101、混合管路阀门102、第一流量计103、缓冲罐3及实验箱体2；B区箱体通过管路依次连接第二水泵104、主管路阀门105、第二流量计106及实验箱体2；
实验箱体2与储水箱4通过管路连接；
储水箱4出水管路分为两路，分别为循环管路和排水管路；循环管路设置有第一阀门401，循环管路连通至主水箱1；排水管路设置有第二阀门402，排水管路向外部排出；
PIV***5包括激光发生器501、CCD相机502、同步器503、微型计算机504及LIF模块505；
进一步方案为，B区箱体连通至实验箱体2的管路的进口位于实验箱体2的前端位置；
进一步方案为，所述主水箱1的隔板设置有可开关的连通孔；所述连通孔可根据测量目的的需要选择打开或关闭，当连通孔关闭时，A区箱体与B区箱体互不相通，可存放不同的液体；当连通孔打开时，A区箱体与B区箱体连通，可进行液体的混合；
进一步方案为，所述缓冲罐3设置多个出口，所述实验箱体2上设置对应数量的支管进口，缓冲罐3的各个出口分别通过支管路与所述实验箱体2上的支管进口连接，各支管路都设置阀门；
更进一步方案为，所述实验箱体2的各支管进口均匀水平分布，设置在实验箱体2的侧壁；
实验箱体2支路进口的数量，根据测量要求选择，可选择3～10个支路进口；通过在实验箱体2设置不同的支路进口，结合各支管路的开关，从而实现实验箱体2在不同位置和以不同流量注入液体的控制，可配合进行混合液体的流场测量或浓度测量；
进一步方案为，所述第一水泵101设置变频控制***，所述第二水泵104设置有变频控制***；
通过变频控制***，可控制第一水泵101和第二水泵104的流量，以控制流入实验箱体2的液体流量；
进一步方案为，所述实验箱体2采用可视光学材料制成；更进一步方案为，所述实验箱体2采用PMMA有机玻璃材料制成；采用可视光学材料，可满足PIV***的测量需求；
进一步方案为，所述储水箱4的出水管道设置第三水泵403；设置第三水泵的作用，是为了出水压力不足的情况下，提升出水压力，将出水输送至主水箱或排出装置外。
实施例2
采用本发明所述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的流场。
所述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置如实施例1所述，具体设备型号及参数如下：
第一水泵101选用离心泵，型号为IS50-32-200B，扬程为37.5米，流量为10.8m3/h；第二水泵104选用离心泵，型号为ISW80-200A，扬程为44米，流量为47m3/h；第三水泵403选用离心泵，型号为IS80-65-125，扬程为20米，流量为50m3/h；第一流量计103为转子流量计，量程为20m3/h；第二流量计103型号为LDG-105-050，量程为47m3/h；A区箱体至实验箱体2的管路的管径为公称直径DN32；B区箱体至实验箱体2的主管路的管径公称直径为DN80；储水箱4至主水箱1的循环管路的管径为公称直径DN65；PIV***5为香港Marketec技术有限公司的产品，LIF模块505为DynamicStudio公司的LIF模块，型号为80S85；
测量混合液体的流场的具体操作为：
(1)在主水箱1的A区箱体和B区箱体注入清水，然后分别均匀布撒聚酰胺示踪粒子；所述聚酰胺示踪粒子的密度为1.0×103kg/m3，与清水的密度相同，直径为50μm；
(2)在实验箱体旁边选取拍摄视角，将PIV***5的激光发生器501放置在实验箱体2的底部，将CCD相机502放置在实验箱体2的侧面，相对位置呈90度，采用单通道滤光片；
(3)开启第二水泵104将B区箱体中带有聚酰胺示踪粒子的液体输送到实验箱体2，B区箱体连通至实验箱体2的管路的进口位于实验箱体2的前端位置；开启第一水泵101将A区箱体中带有聚酰胺示踪粒子的液体输送到缓冲罐3；结合第一流量计103和第二流量计106，分别通过变频控制***对第一水泵及第二水泵进行变频控制调节输出流量，将第一水泵的输出流量调到5m3/h，将第二水泵的输出流量调到35m3/h；
(4)缓冲罐3与实验箱体2之间有7个支管路连接，每根支管路设有1个阀门，连接示意图如图2所示，实验箱体2中的支管路进口水平向均匀排布，其中第四根支管路的进口居于实验箱体的中段位置；首先只打开最中间的支管路(即第四根支管路)的阀门，其余支管路阀门关闭，测量在实验箱体2的中间位置注入液体后的混合液体的流场变化；
开启PIV***，对实验箱体中需要测量的流场部分进行标定，调整测量的像素和两帧相片的时间间隔以及CCD相机的光圈等参数设置以得到清晰的流场图像；当带有示踪粒子的液体流经实验箱体2的过程中，对其流场进行拍摄，并通过PIV***5的数据采集卡采集数据；利用PIV***中微型计算机的Dynamic Studio软件对采集数据进行分析，从而得到混合液体的流场的速度矢量、涡量及湍动能等参数；测量所得的部分流场示意图如图3所示；
根据测量目的，分别启闭其余支管路的阀门，重复该步骤操作，以测量在实验箱体2的其它位置注入液体后的流场变化，
(6)从实验箱体流出的混合液体进入储水箱中，开启第一阀门，关闭第二阀门，将储水箱中的混合液体输送至主水箱中，注入到A区箱体和B区箱体；输送回主水箱的混合液体，可循环进行上述测量流场的操作。
实施例3
采用本发明所述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量0.3％的纸浆和1％的纸浆进行混合后的浓度规律。
所述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置如实施例1所述，具体设备型号及参数如下：
第一水泵101选用离心泵，型号为IS50-32-200B，扬程为37.5米，流量为10.8m3/h；第二水泵104选用离心泵，型号为ISW80-200A，扬程为44米，流量为47m3/h；第三水泵403选用离心泵，型号为IS80-65-125，扬程为20米，流量为50m3/h；第一流量计103为转子流量计，量程为20m3/h；第二流量计103型号为LDG-105-050，量程为47m3/h；A区箱体至实验箱体2的管路的管径为公称直径DN32；B区箱体至实验箱体2的主管路的管径公称直径为DN80；储水箱4至主水箱1的循环管路的管径为公称直径DN65；PIV***5为香港Marketec技术有限公司的产品，LIF模块505为DynamicStudio公司的LIF模块，型号为80S85；
测量混合纸浆的浓度规律的具体操作为：
(1)在主水箱1的A区箱体和B区箱体注入清水，然后分别均匀调配荧光剂罗丹明溶液，在A区箱体中配比0.3％的罗丹明溶液，在B区箱体中配比1.0％的罗丹明溶液；
(2)在实验箱体旁边选取拍摄视角，将PIV***5的激光发生器501放置在实验箱体2的底部，将CCD相机502放置在实验箱体2的侧面，相对位置呈90度，采用彩色滤光片；
(3)开启第二水泵104将B区箱体中1％的罗丹明溶液输送到实验箱体2，B区箱体连通至实验箱体2的管路的进口位于实验箱体2的前段位置；开启第一水泵101将A区箱体中中0.3％的罗丹明溶液输送到缓冲罐3；结合第一流量计103和第二流量计106，分别通过变频控制***对第一水泵及第二水泵进行变频控制调节输出流量，将第一水泵的输出流量调到5m3/h，将第二水泵的输出流量调到35m3/h；
(4)缓冲罐3与实验箱体2之间有7个支管路连接，每根支管路设有1个阀门，连接示意图如图2所示，实验箱体2中的支管路进口水平向均匀排布，其中第四根支管路的进口居于实验箱体的中段位置；首先只打开最中间的支管路(即第四根支管路)的阀门，其余支管路阀门关闭，测量在实验箱体2的中间位置注入液体后的混合浓度变化；
开启PIV***，对实验箱体中需要测量的混合区域进行标定，调整测量的像素和两帧相片的时间间隔以及CCD相机的光圈等参数设置以得到清晰的图像；当含有罗丹明的液体流经实验箱体的过程中，对其混合浓度进行拍摄，并通过PIV***5的数据采集卡采集数据；利用PIV***中微型计算机的DynamicStudio软件对采集数据进行分析，从而得到混合液体的混合浓度的规律曲线；测量的实验箱体2的浓度曲线示意图如图4所示；
根据测量目的，分别启闭其余支管路的阀门，重复该步骤操作，以测量在实验箱体2的其它位置注入液体后的混合浓度变化；
(6)从实验箱体2流出的混合液体进入储水箱4中，开启第二阀门，关闭第一阀门，将储水箱中的混合液体向外排出。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种采用基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，其特征在于：
所述基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置包括主水箱、实验箱体、缓冲罐、储水箱及PIV***；主水箱由隔板分开为A区箱体和B区箱体组成；A区箱体通过管路依次连接第一水泵、混合管路阀门、第一流量计、缓冲罐及实验箱体；B区箱体通过管路依次连接第二水泵、主管路阀门、第二流量计及实验箱体；实验箱体与储水箱通过管路连接；储水箱出水管路分为两路，分别为循环管路和排水管路；循环管路设置有第一阀门，循环管路连通至主水箱；排水管路设置有第二阀门，排水管路向外部排出；
所述测量混合液体的浓度的方法包括如下步骤：
(1)在主水箱的A区箱体和B区箱体分别注入不同浓度的测量液体，然后分别加入荧光粒子；
(2)在实验箱体旁边选取拍摄视角，将PIV***的激光发生器放置在实验箱体的底部，将CCD相机放置在实验箱体的侧面，相对位置呈90度，采用彩色滤光片；
(3)开启第二水泵将B区箱体中带有荧光粒子的测量液体输送到实验箱体；开启第一水泵将A区箱体中带有荧光粒子的测量液体输送到缓冲罐；
(4)通过控制缓冲罐不同支管路阀门的启闭，将A区箱体的测量液体输入到实验箱体中，与注入的B区箱体的测量液体进行混合，形成混合液体；开启PIV***，对实验箱体中需要测量的混合区域进行标定，调整参数设置以得到清晰的图像；当含有荧光粒子的液体流经实验箱体的过程中，对其混合浓度进行拍摄，并采集数据，对采集数据进行分析，得到混合液体的混合浓度规律曲线；
(5)从实验箱体流出的混合液体进入储水箱中，开启第二阀门，关闭第一阀门，将储水箱中的混合液体向外排出。
2.根据权利要求1所述的一种采用基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，其特征在于：所述PIV***包括激光发生器、CCD相机、同步器、微型计算机及LIF模块。
3.根据权利要求1所述的一种采用基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，其特征在于：B区箱体连通至实验箱体2的管路的进口位于实验箱体2的前端位置。
4.根据权利要求1所述的一种采用基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，其特征在于：所述主水箱的隔板设置有可开关的连通孔。
5.根据权利要求1所述的一种采用基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，其特征在于：所述缓冲罐设置多个出口，所述实验箱体上设置对应数量的支管进口，缓冲罐的各个出口分别通过支管路与所述实验箱体上的支管进口连接，各支管路都设置阀门。
6.根据权利要求5所述的一种采用基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，其特征在于：所述实验箱体的各支管进口均匀水平分布，设置在实验箱体的侧壁。
7.根据权利要求1所述的一种采用基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，其特征在于：所述第一水泵设置变频控制***，所述第二水泵设置有变频控制***。
8.根据权利要求1所述的一种采用基于PIV的混合液体的流场和浓度测量装置测量混合液体的浓度的方法，其特征在于：所述实验箱体采用可视光学材料制成。
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