液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試方法及裝置，提供了一種液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試方法，該方法包括以下步驟：(1)選擇直徑相等、中心對(duì)稱布置的兩個(gè)內(nèi)核的透明或半透明微粒作為自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒；(2)采用高速攝像系統(tǒng)記錄液體旋流場(chǎng)中微粒的二維運(yùn)動(dòng)過(guò)程，獲得微粒運(yùn)動(dòng)的圖像序列；(3)通過(guò)分析所得的圖像序列中微粒中的兩個(gè)內(nèi)核投影的重疊與分開(kāi)頻率來(lái)確定微粒的自轉(zhuǎn)速度。還提供了一種液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試裝置。
【專利說(shuō)明】液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于液-固兩相流測(cè)試領(lǐng)域，涉及一種測(cè)試液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn) 速度的方法及裝置。具體地說(shuō)，提供了一種利用直徑相等、中心對(duì)稱布置兩個(gè)內(nèi)核的透明或 半透明微粒與高速攝像系統(tǒng)組合測(cè)試液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度的方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在液-固兩相流中，懸浮顆粒在跟隨流體做宏觀位移運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于流場(chǎng)存在 速度梯度，懸浮顆粒受力不均，使其還存在圍繞其自身瞬時(shí)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。眾多研究表明， 顆粒圍繞其自身瞬時(shí)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不僅對(duì)自身的運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)固相顆粒場(chǎng)以 及周圍的流場(chǎng)也產(chǎn)生影響。長(zhǎng)期以來(lái)，由于顆粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和受測(cè)試技術(shù)條件限制， 對(duì)于剪切流場(chǎng)中顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的研究主要以理論研究為主，實(shí)驗(yàn)研究也是主要針對(duì)的高粘 度、簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)中的顆粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，顆粒尺度也在厘米級(jí)。對(duì)于微米級(jí)顆粒在旋流場(chǎng)中旋 轉(zhuǎn)行為及其影響的研究還未見(jiàn)報(bào)道。
[0003] 研究多相流中顆粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性首先遇到的問(wèn)題就是準(zhǔn)確測(cè)量顆粒的轉(zhuǎn)速，目 前有一些學(xué)者在這方面進(jìn)行了嘗試。
[0004] 駱仲泱等（"循環(huán)流化床中顆粒旋轉(zhuǎn)物性"，駱仲泱，吳學(xué)成，王勤輝，高瓊，方夢(mèng)祥， 岑可法，"化工學(xué)報(bào)"，2005,第56卷第10期，1869 - 1874)利用高速數(shù)字?jǐn)z影設(shè)備及大功 率激光構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)在冷態(tài)流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)床內(nèi)顆粒旋轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)顆 粒是平均粒徑為500微米純白透明的反光玻璃珠，拍攝幀頻為5000幀/秒，圖像分辨率為 640X480。其通過(guò)顆粒表面形狀不規(guī)則特殊、表面固定亮斑或圖案來(lái)判別顆粒的旋轉(zhuǎn)，測(cè)得 顆粒轉(zhuǎn)速最高可達(dá)2000r/s，平均轉(zhuǎn)速300r/s。
[0005] 吳學(xué)成等（"基于圓周灰度分布互相關(guān)的顆粒轉(zhuǎn)速判別方法"，吳學(xué)成，王勤輝，駱 仲泱，方夢(mèng)祥，岑可法，"中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)"，2008,第28卷第8期，71 - 76)開(kāi)發(fā)了一種基 于顆粒圓周灰度分布互相關(guān)的計(jì)算機(jī)算法用于所拍流化床流場(chǎng)圖像中顆粒轉(zhuǎn)速的判別。該 方法利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像中顆粒的識(shí)別、篩選和定位，進(jìn)而根據(jù)顆粒的圓周灰 度分布在兩幅圖像中的變化計(jì)算顆粒的轉(zhuǎn)速。
[0006] Colin R. Meyer (Rotational diffusion of particles in turbulence (潤(rùn)流中顆粒 的旋轉(zhuǎn)分散），arXiv preprint arXiv: 1301. 0150, 2013)等利用立體顆粒圖像速度測(cè)量技術(shù) (SPIV)測(cè)試了一個(gè)對(duì)稱攪拌槽內(nèi)球形顆粒和橢球顆粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。球形顆粒直徑為8mm， 橢球顆粒長(zhǎng)徑和短徑分別是16mm和8mm，密度為1007kg/m 3。流場(chǎng)中球形顆粒和橢球顆粒 的雷諾數(shù)分別是22和63。測(cè)試的時(shí)間分辨率（相機(jī)拍攝幀頻）為14. 773Hz。其測(cè)試得到 的球形顆粒自轉(zhuǎn)速度為[Ωχ，Qy，Ωζ] = [-0.012,-0.029, 0.021] Rad/s，橢球顆粒自轉(zhuǎn)速 度為[Ωχ，Qy，Ωζ] = [-0.024,-0.052, 0.011]Rad/s。
[0007] 拍攝技術(shù)的提高大大促進(jìn)了顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試研究，而對(duì)于顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)的辨識(shí)仍然是一 個(gè)較大的問(wèn)題。而以往研究者一方面通過(guò)在顆粒表面做上標(biāo)記，這就導(dǎo)致自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒的 尺寸不會(huì)太小，并且標(biāo)記也有很大的難度；另一方面就是直接選用具有表面可辨別特征顆 粒進(jìn)行研究，而這種表面特征不統(tǒng)一，且辨識(shí)度也比較低。
[0008] 迄今為止，對(duì)于液-固微旋流器內(nèi)低粘度高雷諾數(shù)流體中微米級(jí)顆粒的自轉(zhuǎn)速 度，本領(lǐng)域尚未開(kāi)發(fā)出一種有效的測(cè)量方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了一種新穎的液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試方法及裝置，從 而解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。
[0010] 一方面，本發(fā)明提供了一種液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試方法，該方法 包括以下步驟：
[0011] (1)選擇直徑相等、中心對(duì)稱布置兩個(gè)內(nèi)核的透明或半透明微粒作為自轉(zhuǎn)測(cè)試顆 粒；
[0012] (2)采用高速攝像系統(tǒng)記錄液體旋流場(chǎng)中微粒的二維運(yùn)動(dòng)過(guò)程，獲得微粒運(yùn)動(dòng)的 圖像序列；
[0013] (3)通過(guò)分析所得的圖像序列中微粒中的兩個(gè)內(nèi)核投影的重疊與分開(kāi)頻率來(lái)確定 微粒的自轉(zhuǎn)速度。
[0014] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，選擇的自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒的外殼為透明或者半透明球形， 內(nèi)包兩個(gè)深色、直徑相等、中心對(duì)稱布置的內(nèi)核，直徑小于500微米，并且變形系數(shù)小于 5%。
[0015] 在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，對(duì)微粒自轉(zhuǎn)角度的分辨精度為90度。
[0016] 在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述液體旋流場(chǎng)的最大切向速度不大于10m/s。
[0017] 另一方面，本發(fā)明提供了一種液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試裝置，該裝 置包括：
[0018] 提供待測(cè)液體旋流場(chǎng)的旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置；
[0019] 用于記錄微粒的二維運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高速攝像系統(tǒng)；
[0020] 提供照射待測(cè)液體旋流場(chǎng)的光的冷光源；
[0021] 高速攝像系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)。
[0022] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，包括：用于裝 存液體的儲(chǔ)液罐，與儲(chǔ)液罐相連的用于液體增壓的渦流泵，渦流泵出口分為兩路，一路流體 經(jīng)回流閥返回儲(chǔ)液罐，一路經(jīng)流量閥和加粒器后進(jìn)入測(cè)試用微旋流器，從微旋流器頂部和 底部出來(lái)的流體均返回儲(chǔ)液罐；其中，所述微旋流器的進(jìn)口壓力為〇. 1-0. 3MPa，液體溫度 不高于50°C，公稱直徑不大于40mm，表面純凈。
[0023] 在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述高速攝像系統(tǒng)的拍攝巾貞頻不低于5000fps，最小 曝光時(shí)間不大于10微秒，分辨率不低于800X600 ;所述高速攝像系統(tǒng)采用微距鏡頭。
[0024] 在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述冷光源是大功率白光冷光源，發(fā)光色溫為 5500?8000K，光通量不小于12000Lm。
[0025] 在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述加粒器設(shè)置在微旋流器的進(jìn)口前，通過(guò)兩個(gè)開(kāi) 關(guān)閥控制加粒與釋放測(cè)試微粒。
[0026] 在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置采用輸出波動(dòng)小的渦流泵。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027] 根據(jù)結(jié)合附圖進(jìn)行的如下詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的目的和特征將變得更加明顯，附圖 中：
[0028] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的內(nèi)包直徑相等、中心對(duì)稱分布兩個(gè)內(nèi)核的透明 或半透明微粒的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)判別方法示意圖，其中A為正視圖，B為俯視圖。
[0029] 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的測(cè)試液體旋流場(chǎng)中微粒自轉(zhuǎn)的原理示意圖。
[0030] 圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的測(cè)試光學(xué)石英玻璃液-固微旋流器內(nèi)微粒自 轉(zhuǎn)的裝置示意圖。
[0031] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的提供液體旋流場(chǎng)的光學(xué)石英玻璃微旋流器 的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 本申請(qǐng)的發(fā)明人在經(jīng)過(guò)了廣泛而深入的研究之后發(fā)現(xiàn)，在液-固微旋流器內(nèi)顆粒 除了圍繞旋流場(chǎng)中心做宏觀的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也存在圍繞其瞬時(shí)軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且顆粒旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)也影響到了旋流器的分離性能；但是因旋流器內(nèi)流場(chǎng)特別復(fù)雜，顆粒處于高速運(yùn)動(dòng)，因 此測(cè)試旋流場(chǎng)內(nèi)微粒存在很大難度，一方面受技術(shù)條件限制，一般高速數(shù)字相機(jī)分辨率和 拍攝速度都很難滿足要求，另一方面顆粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的表征難度也很大。針對(duì)以上存在的問(wèn) 題，發(fā)明人總結(jié)以往的研究成果，以轉(zhuǎn)動(dòng)易辨識(shí)微粒為突破口，開(kāi)發(fā)了利用高速數(shù)字?jǐn)z像技 術(shù)測(cè)試旋流場(chǎng)中微粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方法及裝置，從而完成了本發(fā)明。
[0033] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思如下：
[0034] 利用直徑相等、中心對(duì)稱布置兩個(gè)內(nèi)核的透明或半透明微粒和高速攝像系統(tǒng)組合 測(cè)試液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒的自轉(zhuǎn)速度。測(cè)試方法包括：以直徑相等、中心對(duì)稱布置兩個(gè) 內(nèi)核的透明或半透明微粒作為自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒；采用高速攝像系統(tǒng)記錄液體旋流場(chǎng)中透明或 半透明微粒的二維運(yùn)動(dòng)過(guò)程，獲得微粒運(yùn)動(dòng)的圖像序列；通過(guò)分析圖像序列中微粒中的兩 個(gè)內(nèi)核投影的重疊與分開(kāi)頻率來(lái)確定微粒的自轉(zhuǎn)速度。
[0035] 在本發(fā)明的第一方面，提供了一種測(cè)試液-固微旋流器內(nèi)微粒自轉(zhuǎn)速度的方法， 該方法包括：
[0036] (1)以直徑相等、中心對(duì)稱布置兩個(gè)內(nèi)核的透明或半透明微粒作為自轉(zhuǎn)測(cè)試顆 粒；
[0037] (2)采用高速攝像系統(tǒng)記錄液體旋流場(chǎng)中透明或半透明微粒的二維運(yùn)動(dòng)過(guò)程，獲 得微粒運(yùn)動(dòng)的圖像序列；
[0038] (3)通過(guò)分析圖像序列中微粒中的兩個(gè)內(nèi)核投影的重疊與分開(kāi)頻率來(lái)確定微粒的 自轉(zhuǎn)速度。
[0039] 較佳地，所述自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒外殼為透明或者半透明球形顆粒，內(nèi)包兩個(gè)深色、直徑 相等、中心對(duì)稱布置的內(nèi)核顆粒，外殼直徑小于500微米，并具有高單分散性，即變形系數(shù) (CV值）小于5%。
[0040] 在本發(fā)明中，通過(guò)分析圖像序列中微粒中的兩個(gè)內(nèi)核投影的重疊與分開(kāi)頻率來(lái)確 定微粒的自轉(zhuǎn)速度，對(duì)測(cè)試顆粒自轉(zhuǎn)角度分辯精度為90度。
[0041] 較佳地，所述自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒在液體旋流場(chǎng)中的最大切向速度不大于l〇m/s。
[0042] 在本發(fā)明的第二方面，提供了一種測(cè)試液-固微旋流器內(nèi)微粒自轉(zhuǎn)速度的裝置， 該裝置包括：
[0043] 可提供穩(wěn)定液體旋流場(chǎng)的旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置，用于拍攝微粒自轉(zhuǎn)速度的高速數(shù)字 相機(jī)，提供強(qiáng)白光的大功率冷光源，以及控制高速數(shù)字相機(jī)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。
[0044] 在本發(fā)明中，旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，包括：一個(gè)用于裝存液體的儲(chǔ)液 罐，與儲(chǔ)液罐相連的用于液體增壓的渦流泵，渦流泵出口分為兩路，一路流體經(jīng)回流閥返回 儲(chǔ)液罐，一路經(jīng)流量閥和加粒器后進(jìn)入測(cè)試用光學(xué)石英玻璃微旋流器，從石英玻璃微旋流 器頂部和底部出來(lái)的流體均返回儲(chǔ)液罐；在石英玻璃微旋流器進(jìn)口和兩個(gè)出口均設(shè)置壓力 表，在其進(jìn)口和頂部出口還設(shè)置有流量計(jì)和控制閥。具體測(cè)試步驟如下：
[0045] (i)啟動(dòng)旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置的渦流泵，調(diào)節(jié)流量閥和回流閥使其達(dá)到測(cè)試工況條 件，在光學(xué)石英玻璃微旋流器內(nèi)獲得穩(wěn)定的旋流場(chǎng)；
[0046] (ii)啟大功率白光冷光源，強(qiáng)光照射旋流場(chǎng)待測(cè)區(qū)域；
[0047] (iii)向加粒器填裝測(cè)試顆粒，并向微旋流器進(jìn)口釋放顆粒；
[0048] (iv)在控制計(jì)算機(jī)上觸發(fā)高速數(shù)字相機(jī)進(jìn)行拍攝記錄圖像；
[0049] (V)高速數(shù)字相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)分析。
[0050] 較佳地，所述高速數(shù)字相機(jī)拍攝參數(shù)應(yīng)同時(shí)滿足分辨率800X600及以上，幀頻 5000fps及以上，曝光時(shí)間10微秒及以下，以獲得足夠的時(shí)間和空間分辨率。
[0051] 較佳地，所述高速數(shù)字相機(jī)采用微距鏡頭。
[0052] 較佳地，所述大功率白光冷光源發(fā)光色溫為5500?8000K，光通量為12000Lm以 上，以使顆粒成像清晰。
[0053] 較佳地，所述光學(xué)石英玻璃微旋流器公稱直徑不大于40mm，表面必須純凈；其操 作壓力為〇· lMPa-0. 3MPa，溫度不高于50°C。
[0054] 較佳地，所述旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置采用輸出波動(dòng)較小的渦流泵，采用流量閥與回流 閥協(xié)調(diào)控制，提高進(jìn)入微旋流器的流量調(diào)節(jié)精度，以減少流量波動(dòng)，使光學(xué)石英玻璃微旋流 器內(nèi)旋流場(chǎng)穩(wěn)定。
[0055] 較佳地，所述加粒器設(shè)置在石英玻璃微旋流器進(jìn)口前，通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)閥控制加粒 與釋放測(cè)試微粒。
[0056] 以下根據(jù)附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的方法和裝置。
[0057] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的內(nèi)包直徑相等、中心對(duì)稱分布兩個(gè)內(nèi)核的透明 或半透明微粒的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)判別方法示意圖，其中A為正視圖，B為俯視圖。如圖1所示，根據(jù) 微粒內(nèi)兩個(gè)內(nèi)核投影的重疊與分開(kāi)來(lái)判別顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)角度的分辨精度為90度， 其中η為微粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)照片序列中兩個(gè)內(nèi)核重疊與分開(kāi)次數(shù)。
[0058] 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的測(cè)試液體旋流場(chǎng)中微粒自轉(zhuǎn)的原理示意圖。如 圖2所示，旋流場(chǎng)中自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要受旋流場(chǎng)切向速度U t影響，根據(jù)切向速 度特征，及顆粒在旋流場(chǎng)中的位置關(guān)系，可確定顆粒自轉(zhuǎn)方向；顆粒自轉(zhuǎn)速度《￡)計(jì)算方法 如下：
[0059] ωρ = θ / τ (1)
[0060] θ = η π /2 (2)
[0061] τ = m/f (3)
[0062] 其中，Θ為微粒自轉(zhuǎn)角度，n為高速攝像系統(tǒng)2拍攝的一組照片序列中顆粒兩個(gè)內(nèi) 核重疊與分開(kāi)次數(shù)，τ為記錄顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，m為記錄顆粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)照片數(shù)量，f為高速攝 像系統(tǒng)拍攝巾貞頻；
[0063] 根據(jù)高速攝像系統(tǒng)2拍攝的照片可確定顆粒坐標(biāo)X、y和z。
[0064] 圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的測(cè)試光學(xué)石英玻璃液-固微旋流器內(nèi)微粒自 轉(zhuǎn)的裝置示意圖。如圖3所示，該裝置包括：可提供穩(wěn)定液體旋流場(chǎng)的旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置， 用于拍攝微粒自轉(zhuǎn)速度的高速攝像系統(tǒng)2,提供強(qiáng)白光的大功率白光冷光源3,以及控制高 速攝像系統(tǒng)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)4 ;其中，
[0065] 旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置包括一個(gè)儲(chǔ)液罐1-1，罐中液體經(jīng)渦流泵1-2增壓，通過(guò)流量閥 1-3-1和回流閥1-3-2來(lái)控制進(jìn)入光學(xué)石英玻璃微旋流器1-5的流量；在微旋流器入口設(shè) 置了一個(gè)微粒加粒器1-4,通過(guò)閥1-4-1開(kāi)，閥1-4-2關(guān)向加粒器存粒腔加粒，通過(guò)閥1-4-1 關(guān)，閥1-4-2開(kāi)實(shí)現(xiàn)向微旋流器1-5連續(xù)均勻投放測(cè)試顆粒；在微旋流器1-5外設(shè)置一個(gè)方 形管水套1-6,方形管水套內(nèi)充滿與儲(chǔ)液罐中相同液體介質(zhì)，以減少由于微旋流器弧形表面 的光折射帶來(lái)的測(cè)量誤差；在微旋流器進(jìn)口和溢流出口設(shè)置有流量計(jì)和壓力表，在底流出 口設(shè)置一個(gè)壓力表；在溢流出口和底流出口分別還設(shè)置一個(gè)流量控制閥1-3-3和1-3-4。
[0066] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的提供液體旋流場(chǎng)的光學(xué)石英玻璃微旋流器 的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，a和b分別是進(jìn)口長(zhǎng)與高，D為微旋流器柱段內(nèi)徑（公稱直 徑），D。為溢流管外徑，d。為溢流管內(nèi)徑，h為溢流管插入深度，Η為柱段高度，d u為底流出 口內(nèi)徑，ct為錐角。
[0067] 本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于：
[0068] 本發(fā)明采用直徑相等、中心對(duì)稱布置兩個(gè)內(nèi)核的透明或半透明微粒作為自轉(zhuǎn)測(cè)試 顆粒，大大提高了顆粒在旋流場(chǎng)中自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的辨識(shí)度；結(jié)合高速攝像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低粘度、 高湍流旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒的精確測(cè)量。
[0069] 實(shí)施例
[0070] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。但是，應(yīng)該明白，這些實(shí)施例僅用于說(shuō) 明本發(fā)明而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。下列實(shí)施例中未注明具體條件的試驗(yàn)方法，通常 按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另有說(shuō)明，所有的百分比和份數(shù)按重量 計(jì)。
[0071] 實(shí)施例1
[0072] 采用如圖3所示的裝置，測(cè)試了公稱直徑為25mm的光學(xué)石英玻璃微旋流器內(nèi)微粒 的自轉(zhuǎn)速度。液體介質(zhì)為自來(lái)水，常溫。顆粒采用的是微流造粒技術(shù)合成的內(nèi)包兩個(gè)直徑 相等，中心對(duì)稱分布兩個(gè)內(nèi)核的半透明聚合物球形顆粒，顆粒平均粒徑為450微米，變形系 數(shù)CV值為3%，一般認(rèn)為CV值小于5%具有良好的單分散性，相對(duì)密度為1. 15。
[0073] 下表1示出了應(yīng)用本發(fā)明方法測(cè)得的裝置不同操作壓力條件下，公稱直徑為25_ 的光學(xué)石英玻璃微旋流器柱段微粒自轉(zhuǎn)速度。下表2示出了操作壓力為0. IMPa時(shí)，測(cè)試微 粒的二維坐標(biāo)。
[0074] 表1 :不同操作壓力下微粒自轉(zhuǎn)速度
[0075]

【權(quán)利要求】
1. 一種液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試方法，該方法包括以下步驟： (1) 選擇直徑相等、中心對(duì)稱布置兩個(gè)內(nèi)核的透明或半透明微粒作為自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒； (2) 采用高速攝像系統(tǒng)記錄液體旋流場(chǎng)中微粒的二維運(yùn)動(dòng)過(guò)程，獲得微粒運(yùn)動(dòng)的圖像 序列； (3) 通過(guò)分析所得的圖像序列中微粒中的兩個(gè)內(nèi)核投影的重疊與分開(kāi)頻率來(lái)確定微粒 的自轉(zhuǎn)速度。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，選擇的自轉(zhuǎn)測(cè)試顆粒的外殼為透明或者半 透明球形，內(nèi)包兩個(gè)深色、直徑相等、中心對(duì)稱布置的內(nèi)核，直徑小于500微米，并且變形系 數(shù)小于5%。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，對(duì)微粒自轉(zhuǎn)角度的分辨精度為90度。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述液體旋流場(chǎng)的最大切向速度不大于 10m/s〇
5. -種液體旋流場(chǎng)中微米級(jí)顆粒自轉(zhuǎn)速度測(cè)試裝置，該裝置包括： 提供待測(cè)液體旋流場(chǎng)的旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置； 用于記錄微粒的二維運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高速攝像系統(tǒng)（2); 提供照射待測(cè)液體旋流場(chǎng)的光的冷光源（3); 高速攝像系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)（4)。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，包 括：用于裝存液體的儲(chǔ)液罐（1-1)，與儲(chǔ)液罐（1-1)相連的用于液體增壓的渦流泵（1-2)， 渦流泵（1-2)出口分為兩路，一路流體經(jīng)回流閥（1-3-2)返回儲(chǔ)液罐（1-1)，一路經(jīng)流量閥 (1-3-1)和加粒器（1-4)后進(jìn)入測(cè)試用微旋流器（1-5)，從微旋流器（1-5)頂部和底部出來(lái) 的流體均返回儲(chǔ)液罐（1-1);其中，所述微旋流器（1-5)的進(jìn)口壓力為0. 1-0. 3MPa，液體溫 度不高于50°C，公稱直徑不大于40mm，表面純凈。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于，所述高速攝像系統(tǒng)⑵的拍攝幀頻不低 于5000fps，最小曝光時(shí)間不大于10微秒，分辨率不低于800 X 600 ;所述高速攝像系統(tǒng)采用 微距鏡頭。
8. 如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于，所述冷光源（3)是大功率白光冷光源， 發(fā)光色溫為5500?8000K，光通量不小于12000Lm。
9. 如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于，所述加粒器（1-4)設(shè)置在微旋流器 (1-5)的進(jìn)口前，通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)閥控制加粒與釋放測(cè)試微粒。
10. 如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于，所述旋流分離實(shí)驗(yàn)裝置采用輸出波動(dòng) 小的渦流泵（1-2)。
【文檔編號(hào)】G01P3/38GK104049100SQ201410323160
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】黃淵, 汪華林, 邱陽(yáng), 付鵬波, 張艷紅, 何鳳琴, 白志山, 楊強(qiáng) 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)