[实用新型]一种水槽PIV实验中示踪粒子自动投放装置

说明书

本实用新型提供一种水槽PIV实验中示踪粒子自动投放装置，该装置包括示踪粒子搅拌装置、溶液输送管道以及投放浓度调节系统；示踪粒子在示踪粒子搅拌装置中初步掺混；溶液输送管道包括吸水管、输水管、水泵以及粒子投放管；投放浓度调节系统的核心为流量控制仪。该装置通过流量控制仪精准调节水泵功率，将示踪粒子以溶液的形式按一定浓度及速度投放入水槽。本实用新型可保证PIV水槽实验中示踪粒子在不同流量下浓度恒定，并不需要人工调节，大大提高示踪粒子的抛投效率和准确性，为获取优质的实验数据奠定了基础。

技术领域

本实用新型属于流体力学和河流动力学领域，对大型明渠水槽中进行粒子图像测速法(PIV)时示踪粒子的投放方法进行了改进，具体涉及一种水槽PIV实验中示踪粒子自动投放装置。

背景技术

对流场的测量通常会用到粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry)，简称PIV，使用PIV测量二维流场时，需要在待测液体中投放示踪粒子，通过激光片光源打亮待测区域，分析待测区域同样位置的相邻两帧中每个示踪粒子的位移计算出该示踪粒子所在点的速度矢量，测量原理如图7，从而最终得到整个流场。

所拍摄图像中粒子的均匀程度是影响测量结果的重要参数。示踪粒子的选择需要满足跟随性、散光性良好并且比重与流体相当，一般选用空心玻璃珠或者PSP粒子（采用特殊工艺的示踪粒子，使粒子生成多面聚合非球形的表面构造，这种构造使粒子的表面积相较球形粒子大大增加，从而大幅提高粒子的反光强度），示踪粒子价格较为昂贵。

示踪粒子的投放均匀与否，流速改变时在流体中的浓度是否保持恒定，是PIV实验成功与否的关键。

现代实验流体力学领域中流体的示踪粒子源密度公式被定义为： ,式中n为流体中示踪粒子浓度；A为待测流体横截面积；为水流流速；h为激光片光源厚度；d为粒子图像的直径；M为成像放大倍率；水槽PIV实验中投放示踪粒子时，随着流速改变，相应需改变示踪粒子源密度，才能保证示踪粒子浓度n不变。

前人在恒定流情况下的实验大都采用手动投放或者水泵抽取示踪粒子溶液两种方式。手动投放是在小容器中配置示踪粒子混合溶液后将溶液倒入待测流体中，此方法首先不能保证示踪粒子在溶液中混合均匀，其次在待测流体体积较大的情况下工作量较大，耗资大且难以保证一定浓度和均匀程度，尤其是在非循环的大型明渠水槽。水泵抽取示踪粒子溶液方式是将溶液通过橡胶管泵送至待测流体的方法，该方法不能保证示踪粒子在流体中混合均匀，且流速改变时不能保证示踪粒子添加量实时调节以使其浓度恒定。

实用新型内容

实用新型目的：为了解决上述现存的困难，本实用新型提供一种水槽PIV实验中示踪粒子自动投放装置，使得待测流体内的示踪粒子尽可能均匀分布，且满足在不同流量工况下示踪粒子浓度恒定的要求，以利于优质实验数据的获取。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用的技术手段是：

一种水槽PIV实验中示踪粒子自动投放装置，包括：

示踪粒子搅拌装置；

示踪粒子运输系统，包括吸水管、输水管、水泵以及示踪粒子投放管，所述粒子投放管垂直于水槽底面布置，粒子投放管上面向水槽下游处设有粒子投放口；

所述水泵通过信号传输线与流量控制仪连接；

所述粒子投放管上沿水深均匀分布若干粒子投放口，若干粒子投放口所在平面与PIV待测激光面共面，保证粒子沿水深方向投放的浓度均匀。

进一步的，所述示踪粒子搅拌装置包括搅拌桶，搅拌桶内安装中心转轴、旋桨与转动轴承，所述中心转轴上设有所述旋桨，所述中心转轴与所述搅拌桶底部通过转动轴承连接。

进一步的，所述搅拌桶为无盖圆柱形搅拌桶。

进一步的，所述旋桨分上、下两层布置在所述搅拌桶内的中心转轴上。