基于粒子图像测速法的大米抛光机内米粒运动规律分析

[目的]通过研究抛光机运行参数、米粒运动规律、产生碎米率之间的关系,寻求抛光机的较优参数调控依据。[方法]通过分析抛光室内米粒的运动过程、开展全因素试验以及应用粒子图像测速法(PIV)对米粒运动轨迹进行分析,明确米粒的运动状态、碎米率与抛光机转速及压力门开度之间的关系。[结果]当压力门开度20 mm时,在试验转速范围内均不能形成有规律的米粒运动形态,此时不能达到米粒抛光要求。当压力门开度4 mm、转速为600~1400 r/min时,米粒呈现出螺旋升角较小且高低速区域交替出现的运动形态。当压力门开度8 mm、转速1400 r/min时,米粒呈现出高低速(速度差>3 m/s)区域交替出现的运动形态。上述两种工况下,米粒因过度揉搓或压力过大导致碎米率较高(>4%)。在试验范围内的其余工况下,米粒均呈现出螺旋角大小适中的高低速(速度差为2~3 m/s)区域交替出现的运动形态,此时碎米率为2%~4%,能够达到较好的抛光效果。[结论]不同工况下米粒形成的运动形态与产生的碎米率不同,在合适的压力门开度和转速下,米粒呈现出适当的运动形态,能达到较好的抛光效果。

基于微观粒子图像测速法的微肋阵通道内流场特性研究

采用微观粒子图像测速法(Micro-PIV),实验研究了Reynolds数(Re)=50~800范围内去离子水在微肋直径D=0.4 mm微肋阵内的绕流流场特性,获得了不同Re下错排和顺排微肋阵内的流线分布与速度场,分析了Re与微肋排布方式对旋涡结构、流速分布等流场特性的影响规律。研究结果表明,在Re=50~700范围内,错排和顺排微肋阵内均出现涡结构,当Re=800时错排微肋阵内开始发生旋涡脱落;错排微肋阵内旋涡长度随着Re的增大而增加,而对于顺排微肋阵,在低Re时旋涡长度随着Re的增大而增加,当Re≥300后,旋涡长度保持微肋间距不再增加;顺排微肋阵内主流区顺流速度较错排微肋阵大,而错排微肋阵内横向速度大于顺排微肋阵且最大值比顺排微肋阵高约25%,微肋错排布置增强了流体的掺混。

粒子图像速度粒度同场测量基础与实验验证

从米氏散射理论(Mie scattering)出发,在粒子图像测速法硬件系统结构模型和电荷耦合器件光电转换一般特性基础上,推导出了真实球形粒子在数字相机上所成粒子像各像素点灰度总和的理论计算式。为验证该理论计算式的正确性,采用不同粒径的4种标准粒子进行实验,考察粒子像点灰度和随粒子曝光时间、照明用激光脉冲光强及真实粒子粒径的变化情况。结果表明:粒子像点灰度和随曝光时间及激光光强的变化呈线性趋势,基本与理论推导结果相一致。相同实验条件下的不同粒径标准粒子所成像点灰度和比值均在粒子粒径平方比附近,符合理论结果。

采用乳化空气泡做示踪粒子的PIV测速技术

本文介绍一种适用于水洞力学实验的采用乳化空气泡做为示踪粒子的PIV测速技术。选用乳化空气泡做PIV测速示踪粒子,取代了通常采用的固体颗粒,由两台YAG大功率脉冲式激光光源组合系统做为PIV底片记录的双脉冲曝光光源。乳化空气泡的最大优点是对实验水洞或水槽无污染,且产生方便、经济,又可以形成高质量的杨氏条纹图像,这一技术能够使得PIV测速技术在水洞力学应用测量中真正达到实用。

电极结构对电除尘器内电流体场影响的实验与模拟研究

为了进一步提高电除尘器的除尘效率,该文采用数值模拟与实验相结合的方法研究了电极结构对电除尘器内电场特性及电流体场分布的影响。使用高速离子射流耦合电流体场的模拟方法建立了数值模型,分析了电除尘器内电流体状态及阳极板附近流速,同时使用粒子图像测速法对两种电极结构在不同电压下的电流体状态进行了测定。结果表明,错位板结构可以增强电晕放电强度,降低起晕电压,相较于线板式结构,起晕电压降低了29.41%,电晕电流提升近一倍。电压越高,电流体场受放电极产生的高速离子射流影响越大。入口风速会影响电流体场状态,当入口风速为0m/s时,电流体状态呈对称的双螺旋结构;入口风速提升至0.1m/s时,涡旋被挤压变形;继续增大入口风速,涡旋变形程度加大,且靠近入口处涡旋消失。错位板结构能显著降低收尘极板附近流速,当入口风速为0.9 m/s时,线板式与错位板除尘器收尘极板前1 cm平均流速分别为1.28 m/s和0.68 m/s。相比于采用普通的多物理场耦合方法,采用高速离子射流耦合电流体场方法得到的模拟结果与实验结果更加符合。

叶片旋向对风力机尾流特性影响的试验研究

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速(PIV)系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋向不同时,首先在下游风力机前1D(D为风轮直径)处,叶尖涡涡核位置向中央尾迹区偏移,而外部主流区的流体在叶尖涡诱导区的输运和卷吸作用下持续进入中央尾迹区并与之掺混使得轴向速度恢复得更佳;进而分析下游风力机后1D的流场数据,结果显示:虽然下游风力机叶尖涡几何结构被“打碎”,但涡核能量却未降低;最后探讨影响风力机功率特性的因素,下游风力机入流角的增大促使下游风力机捕获更多风能,在风轮间距为2D时,逆向旋转的功率比比同向旋转时高4.70%,且功率比随间距增加其增幅逐渐减小。

PIV技术的几种实现方法

PIV技术是一种基于流场图像互相关分析的二维流场非接触式测试技术。在介绍利用Fourier变换的互相关特性及其快速算法实现PIV技术的基础上,介绍了可提高分析效率的实序列Fourier变换的实现方法,并进而提出了一种更高效的基于Hartley变换的分析法,给出了分离式内核的Hartley变换互相关特性的明确表达式。从算法复杂性理论与实际分析时间两方面对3种方法进行的比较,充分说明了Hartley变换在PIV技术应用中的优越性。

用PIV方法研究四气门汽油机缸内滚流运动

选取一台Cagiva350单缸四气门汽油机作为试验样机,重新设计了具有透明活塞顶和透明缸套的加长部分,并使之与丰田8A汽油机的基本参数接近,以二氧化钛为示踪粒子,采用激光粒子图像速度法(PIV)研究了该样机在进气和压缩冲程缸内滚流流场的变化情况.研究结果表明,滚流在进气过程中开始形成,逐渐演变成与缸径同大的大尺度旋涡,并在实验所能实测的曲轴转角范围内一直保持,在60°CABTDC时旋涡发生严重畸变,但仍未破碎为小尺度的湍流.

双相机速度粒度同场测量方法

提出了一种基于双目视觉和粒子图象灰度差分法同场测量喷雾速度场和粒度场的方法。搭建了硬件测试平台,开发了相应的软件系统,进行了初步的验证实验研究。利用两台数字相机对同一喷雾流场区域进行拍摄。根据自相关方法进行速度测量。根据灰度差分法进行粒子粒度分布的计算。本文对该方法进行了模拟数据验证和实验数据的验证。验证结果表明,本方法能够实现自相关速度测量并消除速度方向的二义性。利用本方法能够较为准确地实现流场的速度和粒度同场测量。

基于图像互相关的PIV技术及其频域实现

详细介绍了PIV(粒子图像测速法)技术的频域实现,包括实现互相关分析的傅里叶方法,以及对速度矢量合理构造后利用频域滤波技术对错误矢量的修正方法。提供了波浪实验中的垂向二维流速分布、潮流实验中含有旋涡的表面二维流速分布及其修正后的相应矢量图,充分体现了方法的可靠性与实用性。

新型燃油锅炉喷嘴宏观雾化特性实验研究

燃油锅炉的运行效果受喷嘴的雾化效果影响。基于此,本文提出一种新型组合式双油路空气雾化喷嘴并通过粒子图像测速法(PIV)对其雾化场进行测量,研究空气对双油路离心式喷嘴雾化性能的影响,为喷嘴研究提供实验依据。

棒束燃料组件横流的远心PIV测量方法

压水堆棒束燃料组件通常在定位格架上设有搅混翼片,以促进横向搅混。因而,定位格架下游的横流是评判格架性能的重要依据。针对定位格架下游横流可视化测量的挑战,为粒子图像测速(Particle ImageVelocimetry,PIV)系统设计了远心光路,有效地降低了图像的畸变。此外,针对粒子图像测速对光强均匀度的要求,在测量区域采用了氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated Ethylene Propylene,FEP)管作为实验工质水的折射率补偿材料,消除了由于固体材料折射率过大导致的类似凸透镜的聚光效果。通过标定实验及流场测量实验证明,该测量方法能够获取5×5棒束格架下游完整截面的横向流速及漩涡结构。实验观测发现:在5Dh位置翼片搅混导致的横向流场依然很强烈,其强度会随着距离的增加而逐渐减弱。

SRF方法与滑移网格方法对离心血泵流场的数值模拟研究

目的使用计算流体力学数值模拟离心血泵内的流场,对计算结果和实验结果进行对比,评估计算方法的可靠性。方法以美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)提供的血泵标模进行数值仿真,针对2号工况(转子转速3500 r/min,入口体积流量2.5 L/min),分别用SRF旋转参考坐标系方法和滑移网格方法进行定常和非定常流动的数值模拟,将计算结果与FDA通过粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)获得的流场数据进行比对,探究数据可信度。

气液同轴双离心式喷嘴宏观雾化特性实验研究

为掌握燃气轮机燃烧室喷嘴的雾化规律并优化其雾化效果,本文以液态水为工质,对新型气液同轴双离心式喷嘴雾化特性展开实验研究。利用粒子图像测速法研究了改变气、液进口压力对雾化液滴速度场、雾化锥角和液膜破碎长度的影响,通过分析雾化图像对喷嘴的雾化机制进行探究。结果表明,液体进口压力不变时,气体进口压力增加可使雾化状态由空心锥状向实心锥状过渡,同时液膜破碎依次经历了表面波主导破碎、波动雾化破碎以及气动雾化破碎三种模式。液体进口压力为0.7MPa时,气体进口压力增大,雾化模式由表面波破碎向波动雾化破碎过渡,雾化液锥收缩,液膜受气动力作用向下游展开,液膜破碎长度呈先增大后减小的规律。雾化处于气动雾化破碎模式时,雾化锥角逐渐稳定。对喷嘴下游40mm处液滴速度值分析表明,随着液压增大,有/无气旋对雾化液滴速度增幅稳定在8%。

一种测试油烟机风量的超声波系统

利用时差法的原理,设计了一种基于超声波气体流量计的油烟机风量测试系统,并通过与粒子图像测速法(PIV)在同一实验条件下的测试结果对比同一轴线上的速度,评价超声波测油烟机风量的可行性和效果。该流量计由STM32F103主控芯片、高精度计时芯片TDC-GP22等组成,从硬件系统提高计时精度。针对超声波气体流量计在使用过程中普遍存在的波动幅度大、计量精度不高和稳定性差的问题,软件设计了数据滤波算法。测量时,油烟机吸油烟时存在的震动所引起的大幅度脉冲采用前置限幅滤波处理;根据风量大小,后置卡尔曼滤波算法与算术平均算法解决了风量数据抖动的问题。超声波方式与PIV方法相比,超声波测量风量的效率更高,能够监测到风量在极小点的数据并实时显示,与PIV方式测量的结果相比误差在2%范围内,证明超声波法能够实现风量的计量,并具有较高的精度。

串列水翼绕流非定常特征实验研究

为了研究亚临界雷诺数(Re=7×10^(4))下串列水翼尾缘表面压力和流场的非定常特征,运用时间解析图像粒子测速法(Tr-PIV)测量和分析串列上、下游水翼的尾流场,并采集上、下游水翼尾缘脉动压力,进行多间距比工况实验。研究结果表明,在串列水翼间距比P/C较小(0.1、0.157)的工况下,串列水翼间的平均流场呈多涡流态,其中P/C=0.1工况上游水翼尾缘脉动压力频谱出现多个峰值频率;随着P/C增大(0.3、0.457),水翼间平均流场呈单涡流态,上游水翼尾缘压力以单频率脉动。P/C=0.1工况水翼中间流场内多点流向速度脉动频率与上游水翼尾缘压力脉动频率相符;上、下游水翼尾缘存在共同脉动压力特征频率,相同流态下该频率随P/C增大而升高。实验结果可为水下部件的阵列布局提供一定的理论支撑。

迷宫流道内固体颗粒运动的CFD模拟及PIV验证

针对迷宫流道灌水器结构细微复杂的特点,分别采用计算流体动力学CFD模拟方法和粒子图像测速仪PIV观测方法,对固体颗粒在迷宫流道内的运动规律进行了模拟研究与试验观测,并对2种方法的研究结果进行了分析,结果表明:CFD模拟不同直径、不同密度的固体颗粒运动时,其模拟轨迹线与实际运动线非常接近;当颗粒直径较小(65μm)或密度较小(镁粒,1 740 kg/m3)时,CFD模拟的颗粒通过的路程与实际运动路程的偏差很小,而直径或密度较大的颗粒偏差比较大,其原因是直径或密度较大的颗粒实际运动时更加靠近主流区;采用CFD模拟颗粒运动速度是可行的,但颗粒实际运动时,保持高速的时间长于CFD模拟。

LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧数值研究

提出一种带有多点燃油直接喷射双环预混旋流(TAPS/MLDI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染圆筒燃烧室,为了获得该燃烧室两相喷雾燃烧流场与燃烧性能,利用Fluent数值研究三种LPP燃烧室头部方案和四种进口工况。计算结果表明:(1)LPP燃烧室头部冷态流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,流场结果与PIV试验结果吻合较好。(2)在头部方案不变的情况下,工况从100%推力下降到7%推力时,出口平均温度逐渐下降,污染物NOx排放相应减少。(3)在进口工况不变时,头部方案B燃烧性能相对最优。(4)热力型NOx的生成速率与燃气温度超过1950K区域的大小和最高燃气温度直接相关,热力型NOx的生成主要分布在火焰锋面附近。

某双阀芯电液比例多路阀主阀进口节流流场及阀口压降特性研究

以某系列双阀芯电液比例多路阀为研究对象,采用CFD流场仿真技术和PIV可视化测速技术对不同阀口开度和流量下的主阀沿进口流道、节流口、阀腔的流场进行了流体仿真和试验可视化研究。应用Fluent软件仿真研究了主阀进口节流流场分布并得出阀口压降特性;采用PIV试验研究的手段对流场分析结果加以验证,应用2D-PIV技术获得主阀腔内部一个截面上的流场分布,并通过相似理论计算得出阀口压降特性。CFD流场仿真和PIV试验结果表明:该双阀芯电液比例多路阀主阀出油环形腔内会形成较大旋涡,且阀口开度和流量对主阀进口节流内部流场结构和阀口压降特性有重要的影响。研究结果对定性分析双阀芯电液比例多路阀主阀内能量损失和噪声、主阀的结构和流道的设计以及优化具有重要实际意义,为CFD技术和PIV技术在双阀芯多路阀领域的应用研究提供了参考。

线性层结盐水中的羽流运动特性

采用线性层结盐水发生装置以及喷嘴向下以重盐水注入盐水层结的方法,模拟线性层结盐水中羽流的发展过程;应用时间分辨粒子图像测速技术(PIV),研究线性层结盐水中羽流内部流场结构。羽流的发展过程可以定性地归纳为3个阶段:入射阶段、中性浮力层出现阶段和中性浮力层稳定阶段。实验结果显示:羽流流速从中心区域向边缘逐步递减;羽流在下沉到最大深度后回升到中性浮力层,并向四周扩散;在羽流内部及边界存在大量复杂的涡旋结构,说明在羽流发展的过程中,始终伴随着羽流与周围环境水体之间的掺混作用。重新拟合确定了羽流最大穿透距离公式中的量纲一常数C,取值为4.03。