專利名稱：一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種流體力學(xué)和傳熱學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的試驗裝置。
背景技術(shù)：
流體的流動是自然界與工程技術(shù)領(lǐng)域中常見的流動現(xiàn)象，流體的對流換熱是工程換熱器中最常見的換熱方式，而其熱阻通常是構(gòu)成換熱器總熱阻的主要部分。長期以來，對于強化換熱的研究多基于應(yīng)用或結(jié)構(gòu)，而對邊界層方面的研究較少，人們在研究強化換熱技術(shù)時，重點將破壞層流底層作為加強換熱的主要手段。但隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)只從破壞表面邊界層的角度來考慮已不能為強化換熱技術(shù)提供足夠的理論支持。隨著湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，使得研究人員對湍流邊界層的研究有了新的進展，這一新的理論為提高強化換熱技術(shù)指出了新的方向。目前，對于湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)的研究主要采用可視化的試驗方法，而試驗裝置是保障試驗條件、獲取可靠數(shù)據(jù)必須倚靠的硬件設(shè)施。從公開發(fā)表的文獻資料來看，雖然對于湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)的研究開展的比較廣泛，但各研究單位所使用的試驗裝置和試驗方法不盡相同，且主要存在三方面的問題①主要針對開口槽道和流速較低的條件，這種試驗裝置的試驗段存在自由液面，只能用于水平方向流動的研究，不能進行豎直和傾斜等其它角度的研究，且無法模擬實際管道中的流動情況。②為了研究邊界層內(nèi)不同高度的實際情況，需要在試驗中對鉬絲高度進行調(diào)節(jié)，但目前普遍使用的鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置(如三維坐標架)尺寸較大，精度很低，且由于密封等方面的原因，并不適用于有一定壓力的封閉管道。③使用的攝像和照明設(shè)備精度較低，無法清晰拍攝高流速條件下的試驗現(xiàn)象，使高流速下的研究存在一定的困難。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供可真實模擬實際管道中的流動情況，并實現(xiàn)試驗段不同角度的布置，利用粗糙度和表面結(jié)構(gòu)不同的試驗板模擬各種強化換熱表面，采用氫氣泡示蹤技術(shù)對邊界層內(nèi)的流動情況進行可視化的試驗研究，從而為邊界層擬序結(jié)構(gòu)和強化換熱技術(shù)的研究提供可靠的技術(shù)支持的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗
直ο本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是 包括氫氣泡控制電路、水循環(huán)回路、鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置、圖像采集裝置；所述的氫氣泡控制電路包括函數(shù)發(fā)生器、可調(diào)電阻、三極管、繼電器、直流可調(diào)穩(wěn)壓電源、示波器、碳棒、鉬絲， 繼電器輸入端的正極依次連接可調(diào)電阻、三極管的集電極、函數(shù)發(fā)生器輸出端口的正極，繼電器輸入端的負極與三極管的發(fā)射極和函數(shù)發(fā)生器輸出端口的陰極相連，繼電器輸入端的正負極之間加載5V電壓，繼電器輸出端的負極連接碳棒，繼電器輸出端的正極連接直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的正極，直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的負極連接鉬絲，示波器的正負極分別連接到碳棒和鉬絲上；所述的水循環(huán)回路包括水箱、循環(huán)水泵、過濾器、渦輪流量計、試驗段，試驗段的入口包括兩個支路，試驗段入口第一支路依次連接渦輪流量計、過濾器、循環(huán)水泵和水箱， 試驗段入口第二支路經(jīng)閥門與大氣相通，試驗段的出口經(jīng)管線連接水箱；所述的鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置包括千分尺、基座、探針、絲桿，千分尺固定在基座上，千分尺的轉(zhuǎn)動機構(gòu)與絲桿相固定，探針上端與基座相連，探針下端與鉬絲固連；所述的圖像采集裝置包括冷光源、高速攝像機，冷光源照射鉬絲上方位置，高速攝像機拍攝鉬絲上方位置圖像。本實用新型還可以包括1、所述的試驗段包括入口穩(wěn)定段、觀測段、出口穩(wěn)定段，入口穩(wěn)定段、觀測段、出口穩(wěn)定段依次相連，用于試驗的試驗板、碳棒、鉬絲、鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置均安裝在試驗段里。2、所述的試驗段的觀測段內(nèi)部設(shè)有用于安裝試驗板的卡槽。3、所述的鉬絲的直徑為8-20微米。4、所述的循環(huán)水泵設(shè)有旁通回路，旁通回路與水箱連接，旁通回路在水箱內(nèi)的出口方向設(shè)置為向下。5、所述的水箱和試驗段的下方均設(shè)有排放支路，各個排放支路分別設(shè)置第一閥門和第二閥門，當?shù)谝婚y門和第二閥門同時打開時，將整個水循環(huán)回路的水全部排出，將第二閥門關(guān)閉，第一閥門連接進水管路直接向水箱注水。6、所述的千分尺與絲桿同軸且兩者步進速度一致。7、所述的探針有兩個，除探針的上下端面外均進行絕緣處理，兩個探針下端長度一致。8、所述的探針與絲桿中心軸在同一平面且相互平行。本實用新型的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)單相流動情況下，層流和湍流邊界層的可視化試驗研究，是邊界層擬序結(jié)構(gòu)研究和強化換熱技術(shù)革新必不可少的重要試驗裝置。該裝置可實現(xiàn)(1)模擬管道中流體的流動，并進行水平、傾斜、豎直等不同角度的試驗研究。(2)對光滑表面和不同結(jié)構(gòu)的粗糙表面進行邊界層的流場分析和可視化試驗。(3)測量精度高，試驗裝置配備的測量和采集系統(tǒng)精度均在0.5級以上，并采用專門設(shè)計的鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置對鉬絲距離壁面的高度進行精確調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的最小刻度可達0.01mm。(4)結(jié)果分析的準確性高，試驗采用拍攝速度可達100萬幀/秒的FASTCAM-512PCI型高速攝像機對每組試驗的現(xiàn)象均進行全程記錄，并采用專門的軟件進行慢放、回放及圖像處理等操作，確保高雷諾數(shù)條件下準確捕捉流動結(jié)構(gòu)的一些瞬時現(xiàn)象及邊界層內(nèi)流場的分布狀態(tài)，保證結(jié)果分析的可靠性和準確性。

圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置示意圖；圖3(a)是矩形管道示意圖，圖3(b)是矩形管道俯視圖，圖3 (c)是螺栓孔、探針接口位置示意圖；圖4是本實用新型采用的一些表面粗糙結(jié)構(gòu)不同的試驗板示意圖；圖5是本實用新型中采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述結(jié)合圖1 5，整體結(jié)構(gòu)主要由函數(shù)發(fā)生器1、可調(diào)電阻2、NPN三極管3、繼電器4、 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源5、示波器6、碳棒7、鉬絲8、水箱9、調(diào)節(jié)閥10、調(diào)節(jié)閥11、循環(huán)水泵12、 過濾器13、壓力變送器14、球閥15、渦輪流量計16、銅-康銅鎧裝熱電偶17、球閥18、試驗段19、鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置20、LG-150型冷光源21、FASTCAM-512PCI型高速攝像機22、試驗板23、銅-康銅鎧裝熱電偶M、調(diào)節(jié)閥25連接組成，還包括千分尺結(jié)構(gòu)沈、不銹鋼基座27、 定位銷觀、探針四、螺紋連接件30、絲桿31、螺釘32、不銹鋼底板33、密封橡膠34、觀測段頂蓋35、螺栓孔36、連接法蘭37、入口穩(wěn)定段38、觀測段39、出口穩(wěn)定段40、探針接口 41、碳棒接口 42。本實用新型包括氫氣泡控制電路、水循環(huán)回路、鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置和圖像采集系統(tǒng)，所述的氫氣泡控制電路主要由函數(shù)發(fā)生器1，可調(diào)電阻2，NPN三極管3，繼電器4，直流可調(diào)穩(wěn)壓電源5，示波器6，碳棒7和鉬絲8組成，所述繼電器4輸入端有正負兩級，正極通過導(dǎo)線依次連接可調(diào)電阻2、NPN三極管3的集電極和函數(shù)發(fā)生器1輸出端口的正極，繼電器 4輸入端的負級通過導(dǎo)線與NPN三極管3的發(fā)射極和函數(shù)發(fā)生器1輸出端口的陰極相連，繼電器4輸入端的正負極之間加載5V電壓，所述繼電器4輸出端有正負兩級，負極通過導(dǎo)線直接連接實驗段上的碳棒7，正極通過導(dǎo)線連接直流可調(diào)穩(wěn)壓電源5正極，直流可調(diào)穩(wěn)壓電源5負極連接鉬絲8，示波器6的正負極分別連接到碳棒7與鉬絲8上；所述的水循環(huán)回路主要由水箱9、循環(huán)水泵12、過濾器13、渦輪流量計16、試驗段19、溫度測量系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，所述的試驗段入口分為兩個支路，其中一條支路通過管線依次連接渦輪流量計16、過濾器13、循環(huán)水泵12和水箱9，另一條支路經(jīng)閥門18與大氣相通，所述試驗段的出口經(jīng)管線連接水箱9 ；所述的鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置20由千分尺結(jié)構(gòu)沈、不銹鋼基座27、定位銷觀、探針四、29'、螺紋連接件30、絲桿31、螺釘32、不銹鋼底板33和密封橡膠；34組成；所述的圖像采集系統(tǒng)由LG-150型冷光源21和FASTCAM-512PCI型高速攝像機22組成，其中FASTCAM-512PCI型高速攝像機22的拍攝速度可達100萬幀/秒。在氫氣泡控制電路中，函數(shù)發(fā)生器1主要用于控制氫氣泡產(chǎn)生的頻率和時間間隔，直流可調(diào)穩(wěn)壓電源5用于控制氫氣的產(chǎn)量，試驗中通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)氫氣泡線的清晰度，示波器6用于監(jiān)控電解過程的電流和波形，鉬絲8直徑為8 20微米，可有效抑制氫氣泡的上浮作用。循環(huán)水泵12設(shè)有旁通回路，旁通回路與水箱9連接，通過調(diào)節(jié)閥門10的開度來調(diào)節(jié)壓頭與流量，旁通回路在水箱內(nèi)的出口方向設(shè)置為向下，防止水箱內(nèi)的水發(fā)生振動，保證整個實驗平臺的穩(wěn)定性。在水箱9和試驗段19的下方均設(shè)有排放支路，當閥門11和閥門18同時打開時， 可將整個水循環(huán)回路中的水全部排出，防止腐蝕產(chǎn)物和雜質(zhì)沉淀，保證回路的清潔度；當回路清洗完畢后，可將閥門18關(guān)閉，由閥門11支路連接進水管路，直接向水箱9中注水。試驗段19為矩形有機玻璃管道，可分別進行水平、豎直和傾斜方向的試驗研究、 試驗現(xiàn)象觀察和圖像采集，整個試驗段分為入口穩(wěn)定段38、觀測段39和出口穩(wěn)定段40，通過連接法蘭37與進出口管路相連，其中，入口穩(wěn)定段和出口穩(wěn)定段用于防止上游和下游流體對觀測段流場產(chǎn)生影響，觀測段39內(nèi)部設(shè)有用于安裝試驗板23的卡槽，用于安裝不同表面結(jié)構(gòu)和粗糙度的試驗板，來進行邊界層流動結(jié)構(gòu)的對比試驗研究，觀測段頂蓋35可以取下，它與觀測段本體通過螺栓進行連接，中間通過密封墊片進行密封，觀測段頂蓋35上面開有探針接口 41和螺栓孔36，用于連接和固定鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置20。觀測段頂蓋35上的鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置20，用于在試驗過程中隨時調(diào)節(jié)鉬絲與試驗段底面間的距離，所述的千分尺結(jié)構(gòu)26與普通千分尺的測量原理相同，且固定在不銹鋼基座27上，其轉(zhuǎn)動機構(gòu)與絲桿31固定且同軸，絲桿31與螺紋連接件30通過螺紋連接，并與上端的千分尺結(jié)構(gòu)26的步進速度一致，螺紋連接件30通過螺釘32固定在不銹鋼底板33 上，不銹鋼底板33與觀測段頂蓋35之間設(shè)有密封橡膠34，所述的鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置20設(shè)有兩個探針四、29 ‘，探針采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，除上下端面外，均進行絕緣處理，探針上端與不銹鋼基座27通過螺紋連接，并由定位銷觀固定，保證探針下端長度一致并防止試驗過程中螺紋松動，探針與絲桿31中心軸在同一片面且相互平行，保證測量精度，探針下端面與鉬絲8通過點焊固定，上端面連接氫氣泡控制電路。試驗段的進出口溫度均由銅-康銅鎧裝熱電偶進行精確測量17、24，回路壓力由壓力傳感器14進行測量，回路流量由渦輪流量計16進行測量，全部測量設(shè)備的精度均在 0. 5級以上。試驗測量的溫度、流量和壓力數(shù)據(jù)均由IMP分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入PC機，采用專門編制的軟件對實驗數(shù)據(jù)進行采集、計算、顯示的操作，實現(xiàn)對實驗工況的實時監(jiān)測，同時還可以對所有的數(shù)據(jù)進行存盤、處理、打印，以供后期深入研究使用。用于邊界層可視化試驗研究，其技術(shù)方案是試驗前先將試驗板23裝入試驗段19 的凹槽內(nèi)，將碳棒7和鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置20與觀測段頂蓋35連接后，將鉬絲拉直并點焊在探針四和四‘的下端面上，并將探針上端面及碳棒7與氫氣泡控制電路相連，最后將觀測段頂蓋35與試驗段基體連接并密封，形成閉合管道。試驗時，先利用鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置20 將鉬絲調(diào)到一個指定高度，再啟動水循環(huán)回路中的循環(huán)水泵12，使水經(jīng)過過濾器13、渦輪流量計16進入試驗段19，再由出口管路回到水箱9中，形成閉合回路。待回路充分潤濕后， 啟動氫氣泡控制電路，依次打開函數(shù)發(fā)生器1、直流可調(diào)穩(wěn)壓電源5，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器1的電解頻率、占空比以及直流穩(wěn)壓電源5的電壓值，使鉬絲8產(chǎn)生清晰的氫氣泡。調(diào)整LG-150型冷光源21的光纖的角度，使FASTCAM-512PCI型高速攝像機22視野內(nèi)有一個清晰的圖像。 試驗過程中，試驗段進出口溫度由熱電偶17、熱電偶M進行測量，回路壓力由壓力變送器 14進行測量，流量由渦輪流量計16進行測量，試驗圖像資料由FASTCAM-512PCI型高速攝像機22進行記錄。
權(quán)利要求1.一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是包括氫氣泡控制電路、水循環(huán)回路、鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置、圖像采集裝置；所述的氫氣泡控制電路包括函數(shù)發(fā)生器、可調(diào)電阻、三極管、繼電器、直流可調(diào)穩(wěn)壓電源、示波器、碳棒、鉬絲，繼電器輸入端的正極依次連接可調(diào)電阻、三極管的集電極、函數(shù)發(fā)生器輸出端口的正極，繼電器輸入端的負極與三極管的發(fā)射極和函數(shù)發(fā)生器輸出端口的陰極相連，繼電器輸入端的正負極之間加載5V電壓，繼電器輸出端的負極連接碳棒，繼電器輸出端的正極連接直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的正極，直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的負極連接鉬絲，示波器的正負極分別連接到碳棒和鉬絲上；所述的水循環(huán)回路包括水箱、循環(huán)水泵、過濾器、渦輪流量計、試驗段，試驗段的入口包括兩個支路，試驗段入口第一支路依次連接渦輪流量計、過濾器、循環(huán)水泵和水箱，試驗段入口第二支路經(jīng)閥門與大氣相通，試驗段的出口經(jīng)管線連接水箱；所述的鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置包括千分尺、基座、探針、絲桿，千分尺固定在基座上，千分尺的轉(zhuǎn)動機構(gòu)與絲桿相固定，探針上端與基座相連，探針下端與鉬絲固連；所述的圖像采集裝置包括冷光源、高速攝像機，冷光源照射鉬絲上方位置，高速攝像機拍攝鉬絲上方位置圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是所述的試驗段包括入口穩(wěn)定段、觀測段、出口穩(wěn)定段，入口穩(wěn)定段、觀測段、出口穩(wěn)定段依次相連，用于試驗的試驗板、碳棒、鉬絲、鉬絲高度調(diào)節(jié)裝置均安裝在試驗段里。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是所述的試驗段的觀測段內(nèi)部設(shè)有用于安裝試驗板的卡槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是所述的鉬絲的直徑為8-20微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是所述的循環(huán)水泵設(shè)有旁通回路，旁通回路與水箱連接，旁通回路在水箱內(nèi)的出口方向設(shè)置為向下。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是所述的水箱和試驗段的下方均設(shè)有排放支路，各個排放支路分別設(shè)置第一閥門和第二閥門，當?shù)谝婚y門和第二閥門同時打開時，將整個水循環(huán)回路的水全部排出，將第二閥門關(guān)閉，第一閥門連接進水管路直接向水箱注水。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是所述的千分尺與絲桿同軸且兩者步進速度一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置， 其特征是所述的探針有兩個，除探針的上下端面外均進行絕緣處理，兩個探針下端長度一致。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，其特征是所述的探針與絲桿中心軸在同一平面且相互平行。
專利摘要本實用新型的目的在于提供一種基于氫氣泡流動顯示技術(shù)的邊界層可視化試驗裝置，包括氫氣泡控制電路、水循環(huán)回路、鉑絲高度調(diào)節(jié)裝置、圖像采集裝置；氫氣泡控制電路包括函數(shù)發(fā)生器、可調(diào)電阻、三極管、繼電器、直流可調(diào)穩(wěn)壓電源、示波器、碳棒、鉑絲，水循環(huán)回路包括水箱、循環(huán)水泵、過濾器、渦輪流量計、試驗段，鉑絲高度調(diào)節(jié)裝置包括千分尺、基座、探針、絲桿，圖像采集裝置包括冷光源、高速攝像機。本實用新型測量精度高，結(jié)果分析的準確性高。可以模擬管道中流體的流動，并進行水平、傾斜、豎直等不同角度的試驗研究。還可以對光滑表面和不同結(jié)構(gòu)的粗糙表面進行邊界層的流場分析和可視化試驗。
文檔編號G01M10/00GK202267588SQ201120352239
公開日2012年6月6日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者孫中寧, 孫立成, 宿吉強, 曹夏昕, 王建軍, 范廣銘, 谷海峰, 閻昌琪 申請人:哈爾濱工程大學(xué)