一種匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺的制作方法
【專利摘要】一種匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺，包括機械傳動與控制子系統(tǒng)、流體輸送與控制子系統(tǒng)、旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)與實驗臺流程控制子系統(tǒng)；機械傳動與控制子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)旋渦形成周向速度分量的供給與調(diào)控；流體輸送與控制子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗過程中的流體輸送、進出流控制和溢流控制；旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)匯流旋渦形成抽吸過程的實時圖像數(shù)據(jù)采集、預處理和后處理；實驗臺流程控制子系統(tǒng)為控制中心，用于接收其它三個子系統(tǒng)上傳的實時數(shù)據(jù)，進行判斷與處理后，向相應的子系統(tǒng)輸出執(zhí)行指令，完成整個實驗流程的操控。本發(fā)明能夠面向匯流旋渦抽吸形成機理觀測、實用性較好。
【專利說明】
一種匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及工程流體過程檢測與控制領域，尤其是涉及面向一種匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺。
【背景技術】
[0002]研究匯流旋渦抽吸演化機理在冶金容器(轉爐、鋼包、中間包)澆注、化工萃取分離、水利工程狀態(tài)監(jiān)控等工業(yè)領域具有重要實際意義。上述工業(yè)實例共同之處為:流體一般為兩(多)相流，容器為薄壁管殼結果;排流后期形成的兩相旋渦抽吸過程使得表層相流體破裂，并通過旋渦中心進入排流通道，具有高度非線性動力學特性；由于上層流體的混入，會給工業(yè)生產(chǎn)帶來諸多不利影響；例如，鋼包澆注旋渦卷渣會嚴重影響鋼水純潔度與鋼材質量，甚至使連鑄生產(chǎn)停滯，從而造成生產(chǎn)事故及重大經(jīng)濟損失。因此，研究兩相匯流旋渦抽吸動力學特性，實現(xiàn)對旋渦抽吸過程的主動控制，具有重要的科研價值與工程應用前景。
[0003]匯流旋渦雖然是常見的自然現(xiàn)象，但卻是一個復雜的湍流力學問題。目前尚沒有成熟理論模型對其成因、運動規(guī)律進行精確的定量分析，只能在某種理想假設下或結合試驗研究，得到其有限的局部特征。匯流旋渦形成并進入貫穿狀態(tài)后，容器內(nèi)的表層相流體將受到旋渦的抽吸作用而進入排流口。相關學者利用水模型實驗方法研究表明，在旋渦抽吸過程中，兩相流體由于物理性質不同，在進入排流口過程中并不同步。上述過程的關鍵問題在于:兩相界面的粘滯摩擦作用使得其在旋渦抽吸過程中的運動規(guī)律呈現(xiàn)非線性特征。
[0004]顯然，搭建面向匯流旋渦形成機理的觀測實驗平臺是研究匯流旋渦形成各臨界過程流場特性與演化過程的有效手段。通過本領域的相關技術調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當前國內(nèi)外尚未有面向匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗裝置及相關實現(xiàn)方法。因此，提出一種匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗裝置是非常有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服已有觀測實驗平臺無法面向匯流旋渦形成機理的不足，本發(fā)明提供一種能夠面向匯流旋渦抽吸形成機理觀測、實用性較好的匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]一種匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺，所述實驗平臺是面向匯流旋渦形成抽吸過程觀測的機-電-液一體化系統(tǒng)，包括機械傳動與控制子系統(tǒng)、流體輸送與控制子系統(tǒng)、旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)與實驗臺流程控制子系統(tǒng)；
[0008]所述的機械傳動與控制子系統(tǒng)包含實體機械支撐框架與工作執(zhí)行部分，用于實現(xiàn)旋渦形成周向速度分量的供給與調(diào)控；
[0009]所述的流體輸送與控制子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗過程中的流體輸送、進出流控制和溢流控制；
[0010]所述的旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)匯流旋渦形成抽吸過程的實時圖像數(shù)據(jù)采集、預處理和后處理；
[0011 ]所述的實驗臺流程控制子系統(tǒng)為控制中心，用于接收其它三個子系統(tǒng)上傳的實時數(shù)據(jù)，進行判斷與處理后，向相應的子系統(tǒng)輸出執(zhí)行指令，完成整個實驗流程的操控。
[0012]進一步，所述機械傳動與控制子系統(tǒng)包括實體支撐模塊、流體容器模塊、動力驅動模塊與機械傳動模塊；
[0013]所述的實體支撐模塊由角鋼結構件與鋁合金功能件組成;所述的角鋼結構件通過焊接工藝組合，實現(xiàn)實驗平臺的承重與支撐;所述的鋁合金結構件通過螺紋緊固與鉸接方式安裝在角鋼結構件上，實現(xiàn)對實驗平臺各個功能模塊的固定、掛接和連接；
[0014]所述的流體容器模塊由圓柱體容器、排流管、溢流管與長方體容器組成;所述的圓柱體容器由透明的有機玻璃材料粘接而成，通過螺紋連接方式安裝在實體支撐模塊上，其主體用于盛放實驗流體;所述的圓柱體容器兩側分別標有容積刻度與高度刻度，用以標識排流過程中的容積變化與液面高度變化;所述的排流管通過管螺紋連接，安裝在圓柱體容器底部，實現(xiàn)實驗流體的排放過程;所述的溢流管通過管螺紋連接，安裝在圓柱體容器的上端，實現(xiàn)實驗注流過程中的溢流保護;所述的溢流管外端與聚氯乙烯軟管連接，最后接入長方體容器;所述的長方體容器由聚氯乙烯硬質材料粘接而成，位于排流管的正下方，用以盛放排出或溢流的實驗流體；
[0015]所述的動力驅動模塊包含步進電機及其調(diào)速控制裝置;所述的步進電機為圓柱體旋轉提供動力;所述的調(diào)速控制裝置接收實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，根據(jù)指令要求，將步進電機調(diào)至預定速度;所述的調(diào)速控制裝置采用空間矢量脈寬調(diào)制與在線反饋控制相結合的方法，實現(xiàn)在實驗過程中對步進電機的赫茲級調(diào)速，從而為抽吸物理過程的重復觀察提供可靠條件；
[0016]所述的機械傳動模塊由第一彈性聯(lián)軸器、主動軸、中間軸、從動軸、第二彈性聯(lián)軸器組成;所述的第一彈性聯(lián)軸器一端與步進電機主軸相連，一端與主動軸相連;所述的主動軸、中間軸與從動軸分別通過半圓鍵與主動齒輪、中間軸一級/ 二級齒輪、從動齒輪相連;所述的主動齒輪與中間軸一級齒輪相嚙合，中間軸一級/二級齒輪共軸，中間軸二級齒輪與從動軸齒輪相嚙合;所述的第二彈性聯(lián)軸器一端與從動軸相連，另一端與圓柱體容器下端相連接，實現(xiàn)步進電機穩(wěn)定對圓柱體容器施加周向速度。
[0017]再進一步，所述的流體輸送與控制子系統(tǒng)包括循環(huán)注流模塊、溢流控制模塊與排流控制模塊；
[0018]所述的循環(huán)注流模塊由微型潛水栗、聚氯乙烯軟管、注流調(diào)節(jié)裝置組成;所述的微型潛水栗安裝在長方體容器底部，通過聚氯乙烯軟管向圓柱體容器注入實驗流體;所述的注流調(diào)節(jié)裝置安裝在圓柱體容器的上端，通過流量閥調(diào)整注入圓柱體容器的流量，通過注流端口調(diào)節(jié)注入圓柱體容器的流體方向:徑向、周向、軸向；
[0019]所述的溢流控制模塊由液面?zhèn)鞲衅髋c溢流電磁閥組成;所述的液面?zhèn)鞲衅鞲兄獔A柱體容器內(nèi)的液面極限高度，若液面達到高度閾值，則向實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)送提示信號;所述的溢流電磁閥安裝在溢流管前端，根據(jù)所接收的實驗臺流程控制子系統(tǒng)的控制指令，完成溢流通道的開啟與關閉；
[0020]所述的排流控制模塊為可調(diào)式電磁閥;所述的可調(diào)式電磁閥通過信號線與實驗臺流程控制子系統(tǒng)相連，安裝在圓柱體容器與排流管結合部;根據(jù)來自實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，提供排流流量控制檔位。
[0021]更進一步，所述旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)，用于通過粒子圖像測速系統(tǒng)實時觀測匯流旋渦形成及其Ekman邊界層的抽吸過程演化過程;所述的粒子圖像測速系統(tǒng)包含無影光源、雙目內(nèi)窺鏡、高頻激光發(fā)射器和粒子圖像處理模塊；
[0022]所述的無影光源為全弧面點陣LED燈，實現(xiàn)實驗過程照明、補光燈功能，且解決實驗過程中的氣液兩相界面反光問題;所述的雙目內(nèi)窺鏡呈90度夾角安裝在透明圓柱體容器的兩側，實現(xiàn)對容器內(nèi)部旋渦流場三維圖像細節(jié)特征的精確采集;所述的高頻激光發(fā)射器可發(fā)射高頻激光束，進而產(chǎn)生超快過程，捕捉Ekman邊界層臨界狀態(tài)的演化特征與轉化細節(jié)信息;所述的粒子圖像處理模塊對采集到的旋渦流場三維圖像細節(jié)特征數(shù)據(jù)與Ekman邊界層臨界狀態(tài)數(shù)據(jù)進行濾波、對接、融合、重構等處理，得到連續(xù)的多幀旋渦形成Ekman層抽吸演化過程圖像，作為實驗規(guī)律分析的基礎元數(shù)據(jù)。
[0023]所述的實驗臺流程控制子系統(tǒng)，包含信號采集與調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲分析與指令發(fā)送模塊、粒子圖像測速后處理模塊，其中，
[0024]所述的信號采集與調(diào)理模塊，用于通過傳感器采集實驗平臺各關鍵功能位置的快變信號與緩變信號，并通過卡爾曼濾波的方法剔除所采集數(shù)據(jù)中的異常干擾信號;所述的快變信號為旋渦流場三維圖像細節(jié)特征數(shù)據(jù)與Ekman邊界層臨界狀態(tài)演變數(shù)據(jù);所述的緩變信號為步進電機轉速信號、雙目內(nèi)窺鏡開關量信號、高頻激光發(fā)射器開關量信號、無影光源開關量信號、溢流管道開關量信號與排流管道開度信號；
[0025]所述的數(shù)據(jù)存儲分析與指令發(fā)送模塊，用于接收信號采集與調(diào)理模塊上傳的實驗平臺快變信號與緩變信號，開辟動態(tài)緩存區(qū)域進行存儲與數(shù)據(jù)管理，進行判斷分析后，根據(jù)實驗平臺控制功能需求，向實驗平臺各功能構件(微型潛水栗、溢流開關、排流電磁閥、步進電機、無影光源、雙目內(nèi)窺鏡、高頻激光發(fā)射器、粒子圖像處理模塊)發(fā)送控制指令;所述的動態(tài)緩存區(qū)分為兩個子區(qū)域，分別存儲快變信號與緩變信號，根據(jù)當前實驗要求所確定的分辨率、采樣頻率確定內(nèi)存空間，并進行溢出覆蓋處理與數(shù)據(jù)空間交換；
[0026]所述的粒子圖像測速后處理模塊，用于接收信號采集與調(diào)理模塊上傳的連續(xù)多幀旋渦形成Ekman層抽吸演化過程圖像進行半色調(diào)處理、連續(xù)痕跡重構與局部湍動能分布計算，進而得到圓柱體容器內(nèi)旋渦流場的速度矢量分布與渦量分布。
[0027]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:機-電-液一體化控制實驗觀測系統(tǒng)，可提供更加高效、柔性的實驗觀測實現(xiàn)規(guī)程與方案;可以直接觀察、測量流體的基本參數(shù)，把模型觀察的結果定性或定量地轉化為實際流動現(xiàn)象，為冶金過程控制、水利排灌、化工萃取、食品分離等工業(yè)實例的設計以及生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供依據(jù)；不受數(shù)學方程形式以及邊界條件的限制，可以在其能夠提供的物理空間內(nèi)自由的對相關問題進行研究。
【附圖說明】
[0028]圖1是系統(tǒng)功能構架圖；
[0029]圖2是實驗臺組成結構示意圖；其中，1-控制系統(tǒng)(工業(yè)PC機)2_高頻激光發(fā)射器3-粒子圖像測速系統(tǒng)4-雙目內(nèi)窺鏡5-圓柱體容器6-注流調(diào)節(jié)裝置7-排流管(排流閥)8_聚氯乙烯軟管9-角鋼支架10-微型潛水栗11-長方體容器12-排流管(排流閥)13-傳動裝置14-步進電機；
[0030]圖3是機械傳動關系示意圖；其中，31-步進電機32-彈性聯(lián)軸器33-主動軸齒輪34-中間軸一級齒輪35-中間軸二級齒輪36-從動軸齒輪37-彈性聯(lián)軸器38-圓柱體容器。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0032]參照圖1?圖3，一種匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺，為面向匯流旋渦形成抽吸過程觀測的機-電-液一體化實驗系統(tǒng)，由機械傳動與控制子系統(tǒng)、流體輸送與控制子系統(tǒng)、旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)與實驗臺流程控制子系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)功能框架如附圖1所示。
[0033]上述功能框架中，機械傳動與控制子系統(tǒng)主要包含本發(fā)明的實體機械支撐框架與工作執(zhí)行部分，實現(xiàn)旋渦形成周向速度分量的供給與調(diào)控。流體輸送與控制子系統(tǒng)實現(xiàn)匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗過程中的流體輸送、進出流控制、溢流控制等功能。旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)為本發(fā)明的實時觀測部分，實現(xiàn)匯流旋渦形成抽吸過程的實時圖像數(shù)據(jù)采集、預處理、后處理等功能。實驗臺流程控制子系統(tǒng)為本發(fā)明的控制中心，接收其它三個子系統(tǒng)上傳的實時數(shù)據(jù)，進行判斷與處理后，向相應的子系統(tǒng)輸出執(zhí)行指令，完成整個實驗流程的操控。
[0034]本發(fā)明所涉及的機械傳動與控制子系統(tǒng)，由實體支撐模塊、流體容器模塊、動力驅動模塊與機械傳動模塊組成，如附圖1所示。機械傳動與控制子系統(tǒng)所包含各功能模塊的具體技術細節(jié)如下:
[0035]①實體支撐模塊由角鋼結構件與鋁合金功能件組成，如附圖2所示。角鋼結構件通過焊接工藝組合，實現(xiàn)實驗平臺的承重與支撐。本實驗臺由于需要容納一定量的實驗流體，因此，上述框架的承重量應在300kg以上。鋁合金結構件采用表面氧化防銹處理的硬鋁材料，通過螺紋緊固與鉸接方式安裝在角鋼結構件上，實現(xiàn)對實驗平臺各個功能模塊的固定、掛接、連接等功能。
[0036]②流體容器模塊由圓柱體容器、排流管、溢流管與長方體容器組成，如附圖2所示。圓柱體容器由透明的有機玻璃材料粘接而成，通過螺紋連接方式安裝在實體支撐模塊上，其主體用于盛放實驗流體，包含各種有機溶劑、無機溶劑及相應的輔助示蹤材料。圓柱體容器兩側分別標有容積刻度與高度刻度，用以標識排流過程中的容積變化與液面高度變化。排流管通過管螺紋連接，安裝在圓柱體容器底部，實現(xiàn)實驗流體的排放過程。溢流管通過管螺紋連接，安裝在圓柱體容器的上端，實現(xiàn)實驗注流過程中的溢流保護，即當容器內(nèi)流體超過極限高度時，由溢流管導出，并流入長方體容器，保證實驗過程的安全性。溢流管外端與聚氯乙烯軟管連接，最后接入長方體容器。長方體容器由聚氯乙烯硬質材料粘接而成，科容納實驗流體I OOOkg以上，位于排流管的正下方，用以盛放排出或溢流的實驗流體。
[0037]③動力驅動模塊包含步進電機及其調(diào)速控制裝置，如附圖2所示。步進電機為圓柱體旋轉提供動力，即匯流旋渦形成的周向速度分量，為影響旋渦形成后規(guī)模的重要因素。調(diào)速控制裝置接收實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，根據(jù)指令要求，將步進電機調(diào)至預定速度。由于本發(fā)明所需要的調(diào)速范圍要求較高，因此，調(diào)速控制裝置采用空間矢量脈寬調(diào)制與在線反饋控制相結合的方法，實現(xiàn)在實驗過程中對步進電機的赫茲級調(diào)速，其調(diào)速精度可達到0.5Hz，從而為抽吸物理過程的重復觀察提供可靠條件。
[0038]④機械傳動模塊由彈性聯(lián)軸器A、主動軸、中間軸、從動軸、彈性聯(lián)軸器B組成，如附圖3所示。彈性聯(lián)軸器A—端與步進電機主軸相連，一端與主動軸相連。主動軸、中間軸與從動軸分別通過半圓鍵與主動齒輪、中間軸一級/ 二級齒輪、從動齒輪相連。主動齒輪與中間軸一級齒輪相嚙合，中間軸一級/ 二級齒輪共軸，中間軸二級齒輪與從動軸齒輪相嚙合。主動齒輪、中間軸一級/二級齒輪、從動齒輪的齒數(shù)之比為1:3:1:3，傳動比為9:1。彈性聯(lián)軸器B—端與從動軸相連，另一端與圓柱體容器下端相連接，實現(xiàn)步進電機穩(wěn)定對圓柱體容器施加周向速度。
[0039]本發(fā)明所涉及的流體輸送與控制子系統(tǒng)，由循環(huán)注流模塊、溢流控制模塊與排流控制模塊組成，如附圖1所示。流體輸送與控制子系統(tǒng)所包含各功能模塊的具體技術細節(jié)如下:
[0040]①循環(huán)注流模塊由微型潛水栗、聚氯乙烯軟管、注流調(diào)節(jié)裝置組成，實現(xiàn)對圓柱體容器的穩(wěn)定注流，從而保證每次排流過程都保持接近的初始流場條件。微型潛水栗安裝在長方體容器底部，其揚程要求在1.5m以上，通過聚氯乙烯軟管向圓柱體容器注入實驗流體。注流調(diào)節(jié)裝置安裝在圓柱體容器的上端，通過流量閥調(diào)整注入圓柱體容器的流量，通過注流端口調(diào)節(jié)注入圓柱體容器的流體方向:徑向、周向、軸向，產(chǎn)生不同的流場初始條件，對旋渦形成的規(guī)模與存在過程進行對比分析。
[0041]②溢流控制模塊由液面?zhèn)鞲衅髋c溢流電磁閥組成，實現(xiàn)實驗過程中的溢流保護功能。液面?zhèn)鞲衅鞲兄獔A柱體容器內(nèi)的液面極限高度，若液面達到高度閾值，則向實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)送提示信號，提示控制系統(tǒng)開啟溢流閥。溢流電磁閥安裝在溢流管前端，為常閉工作狀態(tài)，根據(jù)所接收的實驗臺流程控制子系統(tǒng)的控制指令，完成溢流通道的開啟與關閉。
[0042]③排流控制模塊為可調(diào)式電磁閥，通過信號線與實驗臺流程控制子系統(tǒng)相連，安裝在圓柱體容器與排流管結合部，可根據(jù)來自實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，提供 10個排流流量控制檔位:I.0m3/h、1.5m3/h、2.0m3/h、2.5m3/h、3.0m3/h、3.5m3/h、4.0m3/h、4.5m3/h、5.0m3/h、5.5m3/h。
[0043]本發(fā)明所涉及的旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)，通過粒子圖像測速系統(tǒng)實時觀測匯流旋渦形成及其Ekman邊界層的抽吸過程演化過程。上述粒子圖像測速系統(tǒng)包含無影光源、雙目內(nèi)窺鏡、高頻激光發(fā)射器、粒子圖像處理模塊，具體技術細節(jié)如下:
[0044]①無影光源為全弧面點陣LED燈，實現(xiàn)實驗過程照明、補光燈功能，且解決實驗過程中的氣液兩相界面反光問題，避免圖像實時采集過程出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真。
[0045]②雙目內(nèi)窺鏡，可提供300倍的放大倍數(shù)，呈90度夾角安裝在透明圓柱體容器的兩側，實現(xiàn)對容器內(nèi)部旋渦流場三維圖像細節(jié)特征的精確采集。
[0046]③高頻激光發(fā)射器可發(fā)射太赫茲級高頻激光束，進而產(chǎn)生超快過程，捕捉Ekman邊界層臨界狀態(tài)的演化特征與轉化細節(jié)信息。
[0047]④粒子圖像處理模塊對采集到的旋渦流場三維圖像細節(jié)特征數(shù)據(jù)與Ekman邊界層臨界狀態(tài)數(shù)據(jù)進行濾波、對接、融合、重構等處理，得到連續(xù)的多幀旋渦形成Ekman層抽吸演化過程圖像，作為實驗規(guī)律分析的基礎元數(shù)據(jù)。
[0048]本發(fā)明所涉及的實驗臺流程控制子系統(tǒng)，其實體為匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗的系統(tǒng)控制軟件。該軟件運行于工業(yè)級PC機平臺，主要包含信號采集與調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲分析與指令發(fā)送模塊、粒子圖像測速后處理模塊，具體技術細節(jié)信息如下:
[0049]①信號采集與調(diào)理模塊通過相應傳感器，如內(nèi)窺攝像頭、液位傳感器、光柵傳感器等采集實驗平臺各關鍵功能位置的快變信號與緩變信號，并通過卡爾曼濾波的方法剔除所采集數(shù)據(jù)中的異常干擾信號。上述處理過程所涉及的快變信號為旋渦流場三維圖像細節(jié)特征數(shù)據(jù)與Ekman邊界層臨界狀態(tài)演變數(shù)據(jù)。由于本發(fā)明所涉及的觀測視野較小，因此快變數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流量控制在512kB/s。上述處理過程所涉及的的緩變信號為步進電機轉速信號、雙目內(nèi)窺鏡開關量信號、高頻激光發(fā)射器開關量信號、無影光源開關量信號、溢流管道開關量信號與排流管道開度信號，數(shù)據(jù)流量級別為32512kB/S。
[0050]②數(shù)據(jù)存儲分析與指令發(fā)送模塊接收信號采集與調(diào)理模塊上傳的實驗平臺快變信號與緩變信號，開辟動態(tài)緩存區(qū)域進行存儲與數(shù)據(jù)管理，進行判斷分析后，根據(jù)實驗平臺控制功能需求，向實驗平臺各功能構件(微型潛水栗、溢流開關、排流電磁閥、步進電機、無影光源、雙目內(nèi)窺鏡、高頻激光發(fā)射器、粒子圖像處理模塊)發(fā)送控制指令。上述處理過程所涉及的動態(tài)緩存區(qū)分為兩個子區(qū)域，分別存儲快變信號與緩變信號，其中快變緩存區(qū)為IGB，緩變緩存區(qū)為64MB ο在此基礎上，根據(jù)當前實驗要求所確定的分辨率、采樣頻率確定內(nèi)存空間，并進行溢出覆蓋處理與數(shù)據(jù)空間交換，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的順利進行。
[0051]③粒子圖像測速后處理模塊接收信號采集與調(diào)理模塊上傳的連續(xù)多幀旋渦形成Ekman層抽吸演化過程圖像進行半色調(diào)處理、連續(xù)痕跡重構與局部湍動能分布計算，進而得到圓柱體容器內(nèi)旋渦流場的速度矢量分布與渦量分布，為實驗研究人員提供直觀的流場分布數(shù)據(jù)。
[0052]最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺，其特征在于:所述實驗平臺是面向匯流旋渦形成抽吸過程觀測的機-電-液一體化系統(tǒng)，包括機械傳動與控制子系統(tǒng)、流體輸送與控制子系統(tǒng)、旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)與實驗臺流程控制子系統(tǒng)； 所述的機械傳動與控制子系統(tǒng)包含實體機械支撐框架與工作執(zhí)行部分，用于實現(xiàn)旋渦形成周向速度分量的供給與調(diào)控； 所述的流體輸送與控制子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗過程中的流體輸送、進出流控制和溢流控制； 所述的旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)匯流旋渦形成抽吸過程的實時圖像數(shù)據(jù)采集、預處理和后處理； 所述的實驗臺流程控制子系統(tǒng)為控制中心，用于接收其它三個子系統(tǒng)上傳的實時數(shù)據(jù)，進行判斷與處理后，向相應的子系統(tǒng)輸出執(zhí)行指令，完成整個實驗流程的操控。2.如權利要求1所述的匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺，其特征在于:所述機械傳動與控制子系統(tǒng)包括實體支撐模塊、流體容器模塊、動力驅動模塊與機械傳動模塊； 所述的實體支撐模塊由角鋼結構件與鋁合金功能件組成;所述的角鋼結構件通過焊接工藝組合，實現(xiàn)實驗平臺的承重與支撐;所述的鋁合金結構件通過螺紋緊固與鉸接方式安裝在角鋼結構件上，實現(xiàn)對實驗平臺各個功能模塊的固定、掛接和連接； 所述的流體容器模塊由圓柱體容器、排流管、溢流管與長方體容器組成;所述的圓柱體容器由透明的有機玻璃材料粘接而成，通過螺紋連接方式安裝在實體支撐模塊上，其主體用于盛放實驗流體;所述的圓柱體容器兩側分別標有容積刻度與高度刻度，用以標識排流過程中的容積變化與液面高度變化;所述的排流管通過管螺紋連接，安裝在圓柱體容器底部，實現(xiàn)實驗流體的排放過程;所述的溢流管通過管螺紋連接，安裝在圓柱體容器的上端，實現(xiàn)實驗注流過程中的溢流保護;所述的溢流管外端與聚氯乙烯軟管連接，最后接入長方體容器;所述的長方體容器由聚氯乙烯硬質材料粘接而成，位于排流管的正下方，用以盛放排出或溢流的實驗流體； 所述的動力驅動模塊包含步進電機及其調(diào)速控制裝置;所述的步進電機為圓柱體旋轉提供動力;所述的調(diào)速控制裝置接收實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，根據(jù)指令要求，將步進電機調(diào)至預定速度;所述的調(diào)速控制裝置采用空間矢量脈寬調(diào)制與在線反饋控制相結合的方法，實現(xiàn)在實驗過程中對步進電機的赫茲級調(diào)速，從而為抽吸物理過程的重復觀察提供可靠條件； 所述的機械傳動模塊由第一彈性聯(lián)軸器、主動軸、中間軸、從動軸、第二彈性聯(lián)軸器組成;所述的第一彈性聯(lián)軸器一端與步進電機主軸相連，一端與主動軸相連;所述的主動軸、中間軸與從動軸分別通過半圓鍵與主動齒輪、中間軸一級/ 二級齒輪、從動齒輪相連;所述的主動齒輪與中間軸一級齒輪相嚙合，中間軸一級/二級齒輪共軸，中間軸二級齒輪與從動軸齒輪相嚙合;所述的第二彈性聯(lián)軸器一端與從動軸相連，另一端與圓柱體容器下端相連接，實現(xiàn)步進電機穩(wěn)定對圓柱體容器施加周向速度。3.如權利要求1或2所述的匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺，其特征在于:所述的流體輸送與控制子系統(tǒng)包括循環(huán)注流模塊、溢流控制模塊與排流控制模塊； 所述的循環(huán)注流模塊由微型潛水栗、聚氯乙烯軟管、注流調(diào)節(jié)裝置組成;所述的微型潛水栗安裝在長方體容器底部，通過聚氯乙烯軟管向圓柱體容器注入實驗流體;所述的注流調(diào)節(jié)裝置安裝在圓柱體容器的上端，通過流量閥調(diào)整注入圓柱體容器的流量，通過注流端口調(diào)節(jié)注入圓柱體容器的流體方向:徑向、周向、軸向； 所述的溢流控制模塊由液面?zhèn)鞲衅髋c溢流電磁閥組成;所述的液面?zhèn)鞲衅鞲兄獔A柱體容器內(nèi)的液面極限高度，若液面達到高度閾值，則向實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)送提示信號；所述的溢流電磁閥安裝在溢流管前端，根據(jù)所接收的實驗臺流程控制子系統(tǒng)的控制指令，完成溢流通道的開啟與關閉； 所述的排流控制模塊為可調(diào)式電磁閥；所述的可調(diào)式電磁閥通過信號線與實驗臺流程控制子系統(tǒng)相連，安裝在圓柱體容器與排流管結合部;根據(jù)來自實驗臺流程控制子系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，提供排流流量控制檔位。4.如權利要求1或2所述的匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺，其特征在于:所述旋渦抽吸過程實時追蹤子系統(tǒng)，用于通過粒子圖像測速系統(tǒng)實時觀測匯流旋渦形成及其Ekman邊界層的抽吸過程演化過程;所述的粒子圖像測速系統(tǒng)包含無影光源、雙目內(nèi)窺鏡、高頻激光發(fā)射器和粒子圖像處理模塊； 所述的無影光源為全弧面點陣LED燈，實現(xiàn)實驗過程照明、補光燈功能，且解決實驗過程中的氣液兩相界面反光問題;所述的雙目內(nèi)窺鏡呈90度夾角安裝在透明圓柱體容器的兩偵U，實現(xiàn)對容器內(nèi)部旋渦流場三維圖像細節(jié)特征的精確采集;所述的高頻激光發(fā)射器可發(fā)射高頻激光束，進而產(chǎn)生超快過程，捕捉Ekman邊界層臨界狀態(tài)的演化特征與轉化細節(jié)信息;所述的粒子圖像處理模塊對采集到的旋渦流場三維圖像細節(jié)特征數(shù)據(jù)與Ekman邊界層臨界狀態(tài)數(shù)據(jù)進行濾波、對接、融合、重構等處理，得到連續(xù)的多幀旋渦形成Ekman層抽吸演化過程圖像，作為實驗規(guī)律分析的基礎元數(shù)據(jù)。5.如權利要求1或2所述的匯流旋渦抽吸形成機理觀測實驗平臺，其特征在于:所述的實驗臺流程控制子系統(tǒng)，包含信號采集與調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲分析與指令發(fā)送模塊、粒子圖像測速后處理模塊，其中， 所述的信號采集與調(diào)理模塊，用于通過傳感器采集實驗平臺各關鍵功能位置的快變信號與緩變信號，并通過卡爾曼濾波的方法剔除所采集數(shù)據(jù)中的異常干擾信號;所述的快變信號為旋渦流場三維圖像細節(jié)特征數(shù)據(jù)與Ekman邊界層臨界狀態(tài)演變數(shù)據(jù);所述的緩變信號為步進電機轉速信號、雙目內(nèi)窺鏡開關量信號、高頻激光發(fā)射器開關量信號、無影光源開關量信號、溢流管道開關量信號與排流管道開度信號； 所述的數(shù)據(jù)存儲分析與指令發(fā)送模塊，用于接收信號采集與調(diào)理模塊上傳的實驗平臺快變信號與緩變信號，開辟動態(tài)緩存區(qū)域進行存儲與數(shù)據(jù)管理，進行判斷分析后，根據(jù)實驗平臺控制功能需求，向實驗平臺各功能構件發(fā)送控制指令;所述的動態(tài)緩存區(qū)分為兩個子區(qū)域，分別存儲快變信號與緩變信號，根據(jù)當前實驗要求所確定的分辨率、采樣頻率確定內(nèi)存空間，并進行溢出覆蓋處理與數(shù)據(jù)空間交換； 所述的粒子圖像測速后處理模塊，用于接收信號采集與調(diào)理模塊上傳的連續(xù)多幀旋渦形成Ekman層抽吸演化過程圖像進行半色調(diào)處理、連續(xù)痕跡重構與局部湍動能分布計算，進而得到圓柱體容器內(nèi)旋渦流場的速度矢量分布與渦量分布。
【文檔編號】G01M10/00GK105890870SQ201610200912
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】譚大鵬, 楊濤, 倪耶莎
【申請人】浙江工業(yè)大學