专利名称：一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法
技术领域：
本发明属于检测技术领域，特别涉及一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试 方法。
背景技术：
灌水器的结构及其水力性能的优劣对滴灌系统灌水的均勻性、抗堵塞能力、系统 寿命影响很大。要想设计出高抗堵塞性能的灌水器必须对其流道内流体流动的机理有一个 较为全面的了解，因而进行灌水器流道内部的流动分析，实现流道内部流体流动的可视化， 为灌水器流道优化设计提供有效的理论指导，已成为灌水器流道设计者的重要目标。由于 灌水器流道狭窄且边界复杂，原型试验在技术(常规滴灌管带不透明)和经济上都比较困 难，常规手段难以满足流场测试要求，因而进行该领域的实验研究受到了很大的限制，特别 是一种新型灌水器流道的研发，由于设计理论的不完善，往往需要进行多次模型试验和反 复修改设计，从而导致设计开发周期长，投资较高。滴灌的灌溉水源通常都是天然水，其中存在大量的悬浮微粒。虽然利用各种工 程措施可以有效地控制悬浮微粒含量，但不可能将其完全清除，粒径较小的部分颗粒必然 会进入滴灌系统，因而灌水器流道内为典型的颗粒流体系统，流态为瞬态粘性不可压缩 固-液两相湍流，王文娥等、芦刚等、魏正英等分别利用计算流体力学CFDKomputational Fluid Dynamics)数值模拟的方法研究了灌水器迷宫流道内两相流动特征，但相关的数值 模拟方法还缺乏实验数据去验证和支撑。实验研究是了解基本流动过程、为理论分析提 供依据和发展相应的数值模拟方法的主要途径。李云开利用粒子图像测速DPIV(Digital Partical ImageVelocimetry,DPIV)技术可视化了灌水器流道内部单相水流流动的全场信 息，魏正英和喻黎明等利用粒子跟踪技术研究了不同粒径颗粒在灌水器中的流动过程。但 总体而言，对于灌水器流道内部单相流和固_液两相流动特征的测试研究还仅限于局部流 道，同时也仅实现了二维平面测试，还未见灌水器原型流道内部单相流和固-液两相流动 的全场测试结果报道。基于此，本发明拟将提出一种滴灌灌水器迷宫流道内单相和固-液 两相流动的准三维全场测试方法。总体而言，目前国内外还未见滴灌灌水器迷宫流道内流动的三维全场测试方法报 道的主要原因在于(1)由于灌水器的复杂性与不透明性，导致灌水器流动测试的原型试验在技术和 经济上都比较困难，常规手段难以满足流场测试要求，因而进行该领域的实验研究受到了 很大的限制。部分学者以李云开等提出的灌水器透明平面模型，实现了灌水器流道内流动 特征的二维全场测试，流场速度分布图也仅是流道深度方向的俯视效果。但由于模型设计 所限，难以实现灌水器流道内垂直剖面的水流和颗粒物分布特征报道。因而，要实现灌水器 流道内部流体流动的多角度全场测试，必须寻求新的灌水器透明模型构建方法；(2)灌水器迷宫流道尺寸一般在0. 5-1. 2mm之间，齿尖距通常在3. 0-5. 0mm之间， 采用常规的DPIV系统测试，会存在因拍摄区域过大而导致图像质量较差的结果出现，从而
5影响测试精度的准确性；当采用Micro-DPIV系统进行测试时，因拍摄的区域过小(齿尖附 近0. 5mmX0. 5mm)，导致流道流动的全场特征无法显示。因而，如何实现图像分辨率和拍摄 区域的协调发展是目前急需解决的问题；(3)由于模型材料的透明性和机械加工过程中对材料平整度的改变等干扰，在进 行DPIV测试过程中出现噪声，从而影响流速测量精度。因而，如何解决DPIV测试图像的噪 声干扰问题也是提高流动测试精度的关键之一。本发明就是在系统地解决上述问题的基础上，提出一种滴灌灌水器迷宫流道内单 相和固-液两相流动的全场准三维测试方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法，其特征在 于，将灌水器迷宫流道内流体流动视为典型的稳态粘性不可压缩流动，忽略水滴滴落过程 引起的水击对灌水器出流的影响；首先设计新型灌水器透明模型，以示踪荧光粒子为基础， 借助DPIV系统，借助示踪粒子的跟随运动表征水流运动行为；利用激光束照明流场，使用 CCD相机连续拍摄流场照片，对连续两帧粒子图像进行相关计算，从而得到流场一个切面内 各点的速度流场特性参数；具体包括1)模型设计，Gilaad等指出灌水器流道不但尺寸非常小，流道边界的粘性底层占 整个水流的比例很大，而且流道断面尺寸和形状都在不断变化，局部水头损失是流道的消 能的主要形式；Ozekici和Sneed指出齿形迷宫流道平均有98%的水头损失发生在流道的 齿形结构处，为此可以对灌水器塑料原型的消能单元进行简化，忽略流道进口栅格的作用， 只保留消能主体迷宫式流道部分，为此将迷宫流道单元段入口工作压力调整为该单元段的 水头损失即可以模拟整个灌水器迷宫流道内水的流动，在确定灌水器各部分参数的基础 上，利用计算机辅助设计软件Pro/ENGINEER Wildfire 4. 0实现灌水器流道模型的三维重 构；所设计的圆柱形灌水器流道模型结构是在迷宫流道3的一端为进水口 4，另一端为出水 口 1，整个模型固定在底座2上；2)测试系统组成本系统主要由软件和硬件两部分组成，硬件部分为有双脉冲激光器8放置在灌水 器流道模型7的附近作为照明光源，CCD相机6正对灌水器流道模型7，供水系统9的水管连 接在灌水器流道模型7的进水口 4，(XD相机6的信号传输线和计算机5连接；图像采集由 (XD相机6担任，所述软件主要包括由魏润杰提供的MicroVec Version 2. 0，对图像采集、 粒子识别、结果显示和结果计算的处理；及使用TecplotlO. 0软件进行涡量场、速度等值 线、流线以及速度矢量场的图像结果的显示；其中MicroVec Version 2. 0和TecplotlO. 0 软件是北京立方大地科技公司销售的产品3)流场测试对透明灌水器迷宫流道内水的流场进行准三维测试，准三维测试结果通过获取 灌水器迷宫流道不同位置的图像而实现，即在相互垂直的两个方向上实现灌水器迷宫流 道的可视化，流动测试的参数主要是灌水器迷宫流道内流体的速度矢量分布，试验过程涉 及单相流和两相流两种流动特征的测试，单相流测试时选择平均粒径为4. 0 y m，密度为 1. 02Kg/m3的荧光粒子示踪水流的流动状态。为了探索悬浮固体颗粒在流道中的运动规律，本试验选择了平均粒径为50iim和lOOiim，密度为1. 05Kg/m3的两种荧光粒子示踪固相颗 粒物。单相流试验测试具体步骤如下(a)试验设备的优化组合。采用步骤2)的测试系统，使模型在设计压力下持续不间断的工作，然后将其固定 在可以移动平台上，保证其工作期间的稳定性；调整CCD相机移动平台的位置，使CCD相机 镜头与灌水器流道模型被拍摄位置垂直；改变双脉冲激光器出光口的方向，保证激光光束 将灌水器流道模型流道全部照亮，开启全部设备，将激光能量，CCD相机焦距和拍摄效果统 一协调到最佳状态；(b)布撒荧光粒子使用量筒每次取10ml荧光粒子倒入供水平台上的灌水器流道模型的进水口处的 水箱中，待混合均勻后再通过浓度检测设备确认其浓度是否满足要求，若检测结果不能达 到最佳效果，则继续添加荧光粒子，以实现灌水器迷宫流道内速度的可视化为止；(c)数据采集，将供水平台的压力调节到预定值，可调节范围是0KPa-150KPa，待其工作稳定后， 利用三维移动平台将CCD相机位置调整到模型的一端并记录CCD相机在移动平台上的位 置，然后微调CCD相机与灌水器流道模型间的相对位置，对准焦距，保证图像的清晰度，设 置图像之间的时间间隔，开始灌水器流道模型流道内第一部分流动数据的采集，然后根据 移动平台上所记录的刻度值，继续使用位置调节螺旋将CCD相机水平移动到下一个拍摄位 置，重复上述操作，进行模型流道内第二部分流动数据的采集。利用同样的方式完成模型剩 余部分流道内的数据采集。完成正面的数据采集后，调整透明灌水器流道模型的位置，使灌 水器流道模型流道的侧面垂直于CCD相机的镜头，然后重复以上过程，继续采集灌水器流 道模型流道内侧面的速度图像，从而实现透明灌水器流道模型流道内流速的三维测试。改 变压力，重复以上操作，实现透明灌水器流道模型在不同工作压力条件下的流速测试；(d)数据处理利用MicroVec V2. 0软件对采集到的流动图像数据进行计算，即该软件中对速度 矢量的计算采用快速傅里叶变换技术和空间金字塔结合的方式；分析粒子图像测速获取的 流场粒子速度矢量分布结果；(e)结果分析利用Tecplot软件，对数据处理结果进行后期加工，从而实现透明灌水器流道流 道的全场测试，分析结果如下透明灌水器迷宫流道在10KPa、50KPa、100KPa时的三种压力 条件下流道单元段内流速分布特征，以不同的箭头代表了不同的流速，由流速分布图可以 看出，在三种压力条件下迷宫流道内部流体流动都呈复杂的紊流状，在三种压力条件下流 速分布特征相似。灌水器迷宫流道内液体在10KPa、50KPa、100KPa时的三种压力条件下垂直流道深 度方向的速度分布情况，该方向的流动显示结果从另一个角度说明了流道内的水流运动特 征，从而突破了流道内速度分布的二维测试局限；两相流的测试，将单相流的水样更换成清水，然后对整个供水平台进行多次清洗， 避免不同粒径的荧光粒子间的相互干扰，对透明灌水器流道模型同样进行多次清洗，确保 其内部没有不同粒径荧光粒子的残留；然后重复单相流试验过程中的操作步骤，对两相流的流动特征进行测试。其测试结果如下(a)灌水器迷宫流道在常规压力条件下，两相流的试验结果显示同种压力条件下 同一流道单元段内两种粒子的速度分布情况说明，在水流的作用下流道内的固体粒子与水 流质点的速度分布相似；(b)灌水器迷宫流道在常规压力条件下，两相流垂直流道深度方向的速度分布试 验结果显示垂直流道深度方向拍摄的固体悬浮颗粒在流道内的分布特征说明，当粒子运动 到边壁时，受到阻力的作用后流道方向明显改变。所述对数据处理结果进行后期加工包括一是局部数据的整体化，即将对每个透 明滴头各区域采集到的数据进行衔接；二是数据显示形式的优化，即调整局部矢量的清晰度。所述布撒荧光粒子以示踪灌水器流道内单相和固_液两相运动特征，粒子对于照 射其上的激光有很好的散射效应，利用绿色激光激发，激发荧光波段在590nm-610nm，通过 滤波片滤色，图像质量非常高，去除了模型表面噪声干扰；引入平面激光诱导荧光技术，示 踪采用荧光粒子，利用滤波片滤掉荧光以外的噪声，但由于在模型制作加工过程中难免会 有各种干扰出现，从而导致拍摄过程中有噪声出现，最终影响流速测量精度，表征水流运动 的示踪粒子需要考虑跟随性的要求，基于粒子散射或荧光效应强度的要求，该荧光颗粒材 料选用聚苯乙烯，其密度为1. 02Kg/m3,平均粒径为4 u m,与水接近，稍有扰动就能够完全悬 浮，有效地解决了水泵叶轮将颗粒破坏的问题；所述布撒荧光粒子以示踪灌水器流道固_液两相运动特征，考虑粒子的跟随性及 水体中杂志的复杂性，仍利用聚苯乙烯材料，加工密度为1.05Kg/m3，平均粒径分别为50i!m 和100 u m两种荧光粒子，经过试验确定，较为适合两相流的流动显示的荧光粒子浓度为4%。所述步骤2)的测试系统中，在CCD相机前加设一个电子显微镜，本系统选用了型 号SM-CCD4M15，其参数为2048 (H) X 2048 (V)pixel，12bit，电子快门，15帧/秒，两幅图像之 间的时间间隔最小为200ns ；本研究将CCD相机进行改装，将CCD相机镜头换接成北京大恒 (XD相机厂生产的4倍，G10-2111显微镜物镜，充分发挥(XD相机与电子显微镜的特色，实 现拍摄区域与数字图像分辨率的和谐统一。本发明的有益效果是构建了透明的圆柱型灌水器流道模型和构建了灌水器迷宫 流道内流速测试系统利用显微镜物镜改装常规CCD相机，成功解决了灌水器流道这种临界 尺度内部流体流动的拍摄区域与成像分辨率之间的矛盾，首次成功地实现了灌水器流道内 流场的二维全场和准三维局部无扰动测试。具有迷宫式流道各单元段流动特征与已有的数 值模拟和水流运动的全场测试结果显示完全一致的特点。
图1为透明灌水器流道模型图。图2为PIV测试系统图。图3为不同压力条件下流道内流速分布特征图，图中在灌水器迷宫流道内(a)液 体工作压力lOKPa、(b)液体工作压力50KPa、(c)液体工作压力lOOKPa。图4不同压力条件下垂直流道深度方向的速度分布特征图，图中在灌水器迷宫流道内(a)液体工作压力lOKPa、(b)液体工作压力50KPa、(c)液体工作压力lOOKPa。图5两相流局部速度分布图；图中(a) 50 iim粒子垂向速度分布，(b)100iim粒子 垂向速度分布.图6两相流垂直流道深度方向的速度分布图；图中(a) 50 ym粒子侧向速度分布， (b) 100 u m粒子侧向速度分布。
具体实施例方式本发明提供一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法，将灌水器迷宫流道 内流体流动视为典型的稳态粘性不可压缩流动，忽略水滴滴落过程引起的水击对灌水器出 流的影响；首先设计新型灌水器透明模型，以示踪荧光粒子为基础，借助DPIV系统，借助示 踪粒子的跟随运动表征水流运动行为；利用激光束照明流场，使用CCD相机连续拍摄流场 照片，对连续两帧粒子图像进行相关计算，从而得到流场一个切面内各点的速度流场特性 参数；下面结合附图对本发明予以进一步说明。图1所示为透明灌水器流道模型图。利用计算机辅助设计软件Pro/ ENGINEERffildfire 4. 0实现灌水器流道模型的三维重构；所设计的圆柱形灌水器流道模 型结构是在迷宫流道3的一端为进水口 4，另一端为出水口 1，整个模型固定在底座2上。图2所示为PIV测试系统图。本系统主要由软件和硬件两部分组成，硬件部分为 有双脉冲激光器8放置在灌水器流道模型7的附近作为照明光源，CCD相机6正对灌水器流 道模型7，供水系统9的水管连接在灌水器流道模型7的进水口 4，CCD相机6的信号传输线 和计算机5连接；图像采集由(XD相机6担任，所述软件主要包括由魏润杰提供的MicroVec Version 2. 0，对图像采集、粒子识别、结果显示和结果计算的处理；及使用TecplotlO. 0软 件进行涡量场、速度等值线、流线以及速度矢量场的图像结果的显示；(MicroVec Version 2. 0和TecplotlO. 0软件是北京立方天地科技公司销售的产品)一般图像测速法的图像采集处理系统主要由跨帧(XD相机(跨帧数字相机—— Frame Straddle (XD，采集图片时对时间间隔的控制跨越了每帧的数量级)、滤光片、图像 采集板和计算机组成。而对于本发明的灌水器流道(微管)流动测试是在CCD相机前加 设一个电子显微镜。本系统选用了型号SM-CCD4M15CCD相机(2048 (H) X 2048 (V)pixel， 12bit，电子快门，15帧/秒，两幅图像之间的时间间隔最小为200ns。)。将CCD相机镜头 换接成北京大恒CCD相机厂生产的显微镜物镜(规格4倍，型号G10-2111)，本发明利用套 筒联接件进行连接，充分发挥CCD相机与电子显微镜的特色，实现拍摄区域与数字图像分 辨率的和谐统一(拍摄区域达4mmX 4mm)，对区域流速平均场进行衔接，实现全场测量。本发明的照明光源由于激光器的能量高、方向性好、稳定性好、单色性和脉冲控制 等优点，已经广泛应用于数字式粒子图像测速领域中的照明光源。本系统使用的双脉冲激 光器型号为SM-LASER350-10。激光器的各项主要技术参数如下工作频率10Hz和15Hz、波 长532nm、激光能量350mJ和300mJ，脉冲宽度小于6ns。目前国外已有科研院所开发了示踪粒子，但由于在模型制作加工过程中难免会有 各种干扰出现，从而导致拍摄过程中有噪声出现，最终影响流速测量精度，因而本研究需要 引入平面激光诱导荧光技术，示踪采用荧光粒子，利用滤波片滤掉荧光以外的噪声。基于 粒子散射或荧光效应强度的要求，本发明人员自行开发了具有独立自主知识产权的荧光颗粒，以示踪灌水器流道内单相和固_液两相运动特征。粒子对于照射其上的激光有很好的 散射效应，利用绿色激光激发，激发荧光波段在690nm以上，通过滤波片滤色，图像质量非 常高，去除了模型表面噪声干扰。表征水流运动的示踪粒子需要考虑跟随性的要求，在本发 明中粒子材料选用聚苯乙烯，可以有效地解决了水泵叶轮将颗粒破坏的问题。其密度约为 1.02，平均粒径约在4 ym，与水接近，稍有扰动就能够完全悬浮。对于研究灌水器流道内悬 浮颗粒物在灌水器中的运移规律，刻画固-液两相流动特征，需要开发了不同密度、不同粒 径的荧光粒子。本发明考虑粒子的跟随性及水体中杂志的复杂性，仍利用聚苯乙烯材料，加 工密度为1. 05Kg/m3，平均粒径分别为50 ii m和100 y m两种荧光粒子，经过试验确定荧光粒 子浓度为4%时较为适合两相流的流动显示。实例本发明中重点内容是进行单相和两相流的准三维流速分布测试。下面以自行设计 的灌水器迷宫流道内流速测试为例进行阐述，具体步骤如下流场测试本次试验的重点内容是对透明灌水器迷宫流道内的流场进行准三维测试。准三维 测试结果通过获取流道不同位置的图像而实现，即在相互垂直的两个方向上实现流道的可 视化。流动测试的参数主要是灌水器迷宫流道内流体的速度矢量分布。试验过程涉及单相 流和两相流两种流动特征的测试，单相流测试时选择平均粒径为4. 0 y m，密度为1. 05Kg/m3 的荧光粒子示踪水流的流动状态。为了探索悬浮固体颗粒在流道中的运动规律，本试验选 择了平均粒径为50 y m和100 u m，密度为1. 05Kg/m3的两种荧光粒子示踪固相颗粒物。单 相流试验测试具体步骤如下(a)试验设备的优化组合。首先，将上述图2所示的透明灌水器流道模型与供水循环系统衔接，实现模型在 设计压力下持续不间断的工作，然后将其固定在可以移动平台上，保证其工作期间的稳定 性；调整CCD相机移动平台的位置，使CCD相机镜头与模型被拍摄位置垂直；改变脉冲激光 器出光口的方向，保证激光光束将模型流道全部照亮。开启全部设备，将激光能量，CCD相 机焦距和拍摄效果统一协调到最佳状态。试验设备相对位置如图2所示。(b)布撒荧光粒子根据试验经验，荧光粒子浓度的确定需要不断地尝试。使用量筒每次取少许荧光 粒子倒入供水平台的水箱中，待混合均勻后再通过数据采集设备确认其浓度是否满足要 求，若采集结果不能达到最佳效果，则继续添加荧光粒子，直到测试结果可以实现流道内速 度的可视化为止。(c)数据采集。将供水平台的压力调节到预定值，待其工作稳定后，利用三维移动平台将CCD相 机位置调整到模型的一端并记录CCD相机在移动平台上的位置，然后微调CCD相机与模型 间的相对位置，对准焦距，保证图像的清晰度，设置图像之间的时间间隔，开始模型流道内 第一部分流动数据的采集。然后根据移动平台上所记录的刻度值，继续使用位置调节螺旋 将CCD相机水平移动到下一个拍摄位置，重复上述操作，进行模型流道内第二部分流动数 据的采集。利用同样的方式完成模型剩余部分流道内的数据采集。完成正面的数据采集 后，调整透明灌水器流道模型的位置，使流道模型的侧面垂直于CCD相机的镜头，然后重复以上过程，继续采集流道内侧面的速度图像，从而实现透明原型灌水器迷宫流道内流速的 三维测试。改变压力，重复以上操作，实现透明灌水器流道模型在不同工作压力条件下的流 速测试。(d)数据处理利用MicroVec V2. 0粒子图像测速系统分析软件对试验采集到的流动图像数据进 行计算，主要获取流场的速度矢量分布结果。(e)结果分析利用Tecplot软件，对数据处理结果进行后期加工，从而实现透明灌水器迷宫流 道的全场测试。分析结果如下透明灌水器迷宫流道内液体在10KPa、50KPa、100KPa时的三 种压力条件下流道流速分布特征，结果如图3所示，图中空心与实心的箭头代表了不同的 流速。由流速分布图可以看出，在灌水器迷宫流道内液体流速在10KPa、50KPa、100KPa时的 三种压力条件下迷宫流道内部流体流动都呈复杂的紊流状。在三种压力条件下流速分布特 征相似。灌水器迷宫流道内液体在10KPa、50KPa、100KPa时的三种压力条件下垂直流道深 度方向的速度分布情况，测试结果如图4所示空心与实心的箭头代表了不同的流速。该方 向的流动显示结果从另一个角度说明了流道内的水流运动特征。从而突破了流道内速度分 布的二维测试局限，在国内外首次实现了灌水器原型流道内的三维流速测试。两相流的测试，将单相流的水样更换成清水，然后对整个供水平台进行多次清洗， 避免不同粒径的荧光粒子间的相互干扰，对透明灌水器流道模型同样进行多次清洗，确保 其内部没有不同粒径荧光粒子的残留。然后重复单相流试验过程中的操作步骤，对两相流 的流动特征进行测试。其测试结果如下(a)灌水器迷宫流道在常规压力条件下，两相流的试验结果如图5所示图中空心 与实心的箭头代表了不同的流速。同种压力条件下同一流道单元段内两种粒子的速度分布 情况说明，在水流的作用下流道内的固体粒子与水流质点的速度分布相似。(b)灌水器迷宫流道在常规压力条件下，两相流垂直流道深度方向的速度分布试 验结果如图6所示图中空心与实心的箭头代表了不同的流速。垂直流道深度方向拍摄的固 体悬浮颗粒在流道内的分布特征说明，当粒子运动到边壁时，受到阻力的作用后流道方向 明显改变。
权利要求
一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法，其特征在于，将灌水器迷宫流道内流体流动视为典型的稳态粘性不可压缩流动，忽略水滴滴落过程引起的水击对灌水器出流的影响；首先设计新型灌水器透明模型，以示踪荧光粒子为基础，借助DPIV系统，借助示踪粒子的跟随运动表征水流运动行为；利用激光束照明流场，使用CCD相机连续拍摄流场照片，对连续两帧粒子图像进行相关计算，从而得到流场一个切面内各点的速度流场特性参数；具体包括1)模型设计，Gilaad等指出灌水器流道不但尺寸非常小，流道边界的粘性底层占整个水流的比例很大，而且流道断面尺寸和形状都在不断变化，局部水头损失是流道的消能的主要形式；Ozekici和Sneed指出齿形迷宫流道平均有98％的水头损失发生在流道的齿形结构处，为此可以对灌水器塑料原型的消能单元进行简化，忽略流道进口栅格的作用，只保留消能主体迷宫式流道部分，为此将迷宫流道单元段入口工作压力调整为该单元段的水头损失即可以模拟整个灌水器迷宫流道内水的流动，在确定灌水器各部分参数的基础上，利用计算机辅助设计软件Pro/ENGINEER Wildfire 4.0实现灌水器流道模型的三维重构；所设计的圆柱形灌水器流道模型结构是在迷宫流道3的一端为进水口4，另一端为出水口1，整个模型固定在底座2上；2)测试系统组成本系统主要由软件和硬件两部分组成，硬件部分为有双脉冲激光器8放置在灌水器流道模型7的附近作为照明光源，CCD相机6正对灌水器流道模型7，供水系统9的水管连接在灌水器流道模型7的进水口4，CCD相机6的信号传输线和计算机5连接；图像采集由CCD相机6担任，所述软件主要包括由魏润杰提供 的MicroVec Version 2.0，对图像采集、粒子识别、结果显示和结果计算的处理；及使用Tecplot10.0软件进行涡量场、速度等值线、流线以及速度矢量场的图像结果的显示；其中MicroVec Version 2.0和Tecplot10.0软件是北京立方天地科技公司销售的产品3)流场测试对透明灌水器迷宫流道内水的流场进行准三维测试，准三维测试结果通过获取灌水器迷宫流道不同位置的图像而实现，即在相互垂直的两个方向上实现灌水器迷宫流道的可视化，流动测试的参数主要是灌水器迷宫流道内流体的速度矢量分布，试验过程涉及单相流和两相流两种流动特征的测试，单相流测试时选择平均粒径为4.0μm，密度为1.05Kg/m3的荧光粒子示踪水流的流动状态。为了探索悬浮固体颗粒在流道中的运动规律，本试验选择了平均粒径为50μm和100μm，密度为1.05Kg/m3的两种荧光粒子示踪固相颗粒物。单相流试验测试具体步骤如下(a)试验设备的优化组合。采用步骤2)的测试系统，使模型在设计压力下持续不间断的工作，然后将其固定在可以移动平台上，保证其工作期间的稳定性；调整CCD相机移动平台的位置，使CCD相机镜头与灌水器流道模型被拍摄位置垂直；改变双脉冲激光器出光口的方向，保证激光光束将灌水器流道模型流道全部照亮，开启全部设备，将激光能量，CCD相机焦距和拍摄效果统一协调到最佳状态；(b)布撒荧光粒子使用量筒每次取10ml荧光粒子倒入供水平台上的灌水器流道模型的进水口处的水箱中，待混合均匀后再通过浓度检测设备确认其浓度是否满足要求，若检测结果不能达到最佳效果，则继续添加荧光粒子，以实现灌水器迷宫流道内速度 的可视化为止；(c)数据采集，将供水平台的压力调节到预定值，可调节范围是0KPa-150KPa，待其工作稳定后，利用三维移动平台将CCD相机位置调整到模型的一端并记录CCD相机在移动平台上的位置，然后微调CCD相机与灌水器流道模型间的相对位置，对准焦距，保证图像的清晰度，设置图像之间的时间间隔，开始灌水器流道模型流道内第一部分流动数据的采集，然后根据移动平台上所记录的刻度值，继续使用位置调节螺旋将CCD相机水平移动到下一个拍摄位置，重复上述操作，进行模型流道内第二部分流动数据的采集。利用同样的方式完成模型剩余部分流道内的数据采集。完成正面的数据采集后，调整透明灌水器流道模型的位置，使灌水器流道模型流道的侧面垂直于CCD相机的镜头，然后重复以上过程，继续采集灌水器流道模型流道内侧面的速度图像，从而实现透明灌水器流道模型流道内流速的三维测试。改变压力，重复以上操作，实现透明灌水器流道模型在不同工作压力条件下的流速测试；(d)数据处理利用MicroVec V2.0软件对采集到的流动图像数据进行计算，即该软件中对速度矢量的计算采用快速傅里叶变换技术和空间金字塔结合的方式；分析粒子图像测速获取的流场粒子速度矢量分布结果；(e)结果分析利用Tecplot软件，对数据处理结果进行后期加工，从而实现透明灌水器流道流道的全场测试，分析结果如下透明灌水器迷宫流道内液体流速在10KPa、50KPa、100KPa时的三种压力条件下流道单元段内流速分布特征，以不同的箭头代表了不同的流速，由流速分布图可以看出，在三种压力条件下迷宫流道内部 流体流动都呈复杂的紊流状，在三种压力条件下流速分布特征相似。灌水器迷宫流道内液体流速在10KPa、50KPa、100KPa时的三种压力条件下垂直流道深度方向的速度分布情况，该方向的流动显示结果从另一个角度说明了流道内的水流运动特征，从而突破了流道内速度分布的二维测试局限；两相流的测试，将单相流的水样更换成清水，然后对整个供水平台进行多次清洗，避免不同粒径的荧光粒子间的相互干扰，对透明灌水器流道模型同样进行多次清洗，确保其内部没有不同粒径荧光粒子的残留；然后重复单相流试验过程中的操作步骤，对两相流的流动特征进行测试。其测试结果如下(a)灌水器迷宫流道在常规压力条件下，两相流的试验结果显示同种压力条件下同一流道单元段内两种粒子的速度分布情况说明，在水流的作用下流道内的固体粒子与水流质点的速度分布相似；(b)灌水器迷宫流道在常规压力条件下，两相流垂直流道深度方向的速度分布试验结果显示垂直流道深度方向拍摄的固体悬浮颗粒在流道内的分布特征说明，当粒子运动到边壁时，受到阻力的作用后流道方向明显改变。
2.根据权利要求1所述一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法，其特征在 于，所述对数据处理结果进行后期加工包括一是局部数据的整体化，即将对每个透明滴头 各区域采集到的数据进行衔接；二是数据显示形式的优化，即调整局部矢量的清晰度。
3.根据权利要求1所述一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法，其特征在 于，所述布撒荧光粒子以示踪灌水器流道内单相和固-液两相运动特征，粒子对于照射其 上的激光有很好的散射效应，利用绿色激光激发，激发荧光波段在590nm-610nm，通过滤波 片滤色，图像质量非常高，去除了模型表面噪声干扰；引入平面激光诱导荧光技术，示踪采 用荧光粒子，利用滤波片滤掉荧光以外的噪声，但由于在模型制作加工过程中难免会有各 种干扰出现，从而导致拍摄过程中有噪声出现，最终影响流速测量精度，表征水流运动的示 踪粒子需要考虑跟随性的要求，基于粒子散射或荧光效应强度的要求，该荧光颗粒材料选 用聚苯乙烯，其密度为1. 02Kg/m3,平均粒径为4 μ m,与水接近，稍有扰动就能够完全悬浮， 有效地解决了水泵叶轮将颗粒破坏的问题。
4.根据权利要求1所述一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法，其特征在 于，所述布撒荧光粒子以示踪灌水器流道固-液两相运动特征，考虑粒子的跟随性及水体 中杂志的复杂性，仍利用聚苯乙烯材料，加工密度为1. 05Kg/m3,平均粒径分别为50 μ m和 100 μ m两种荧光粒子，经过试验确定，较为适合两相流的流动显示的荧光粒子浓度为4%。
5.根据权利要求1所述一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法，其特征在 于，所述步骤2)的测试系统中，在CCD相机前加设一个电子显微镜，本系统选用了型号 SM-CCD4M15，其参数为2048(H) X 2048 (V) pixel，12bit，电子快门，15帧/秒，两幅图像之 间的时间间隔最小为200ns ；本研究将CCD相机进行改装，将CCD相机镜头换接成北京大恒 CXD相机厂生产的4倍，G10-2111显微镜物镜，充分发挥CXD相机与电子显微镜的特色，实 现拍摄区域与数字图像分辨率的和谐统一。
全文摘要
本发明公开了属于检测技术领域的一种滴灌灌水器迷宫流道内流动的全场测试方法。首先构建了透明的圆柱型灌水器流道模型和构建了灌水器迷宫流道内流速测试系统，以示踪荧光粒子为基础，借助DPIV系统，借助示踪粒子的跟随运动表征水流运动行为；利用激光束照明流场，使用CCD相机连续拍摄流场照片，对连续两帧粒子图像进行相关计算，从而得到速度流场特性参数。本发明利用显微镜物镜改装常规CCD相机，成功解决了灌水器流道这种临界尺度内部流体流动的拍摄区域与成像分辨率之间的矛盾，成功实现了灌水器流道内流场的二维全场和准三维局部无扰动测试。具有迷宫式流道流动特征与已有的数值模拟和水流运动的全场测试结果显示完全一致的特点。
文档编号G01P5/22GK101852814SQ20101016367
公开日2010年10月6日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者刘洪禄, 刘海生, 徐宏兵, 徐飞鹏, 李云开, 杨培岭 申请人:中国农业大学