基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置及实验方法与流程

本发明属于速度测量技术领域，具体涉及一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置及实验方法。

背景技术：

精细化流场测量，特别是小型复杂结构内部的三维流场测量是国内外实验流体力学领域的难点。工业应用中，多种设备均存在至关重要的内部流动结构。例如，航空发动机和地面燃气轮机涡轮叶片内部及其表面包含复杂的冷却通道。由于目前涡轮前燃气温度已远远高于叶片材料的耐热极限，复杂精细的叶片冷却系统是提高涡轮前燃气温度、延长叶片寿命的关键核心技术。涡轮叶片内部结构极其复杂，叶片中弦区通常用多流程的肋化冷却通道冷却、前缘内部由冷却气冲击冷却、尾缘内部采用肋柱冷却通道冷却，同时冷却气由叶片表面气膜孔喷出，在叶片外表面形成冷却气膜，降低叶片外表面的热负荷，防止叶片部件的高温烧蚀。叶片冷却系统设计希望在冷却气流量低、压降低的条件下实现传热效率高、叶片表面温度分布均匀。而冷却系统流动结构(即速度场分布)直接决定了叶片的冷却效率，因此对叶片冷却系统流动的三维全场精细化速度测量为改善部件内流动结构设计、优化传热与冷却效率提供理论基础和测试验证方法，是提高航机和燃机部件效率和整机性能的重要依据。

目前常用的速度测量方法包括激光多普勒测速技术、激光粒子成像技术等。

激光多普勒测速技术(ldv)是一种基于运动粒子对入射光的多普勒效应的非接触式速度测量方法，其原理为在流场中分布粒子，激光照射粒子后粒子对其散射，散射光频率与入射光频率不同，二者的频率差与粒子运动速度成正比，从而得出粒子运动速度。激光多普勒测速技术的实现需要特定频率/波长的激光源、光信号收集器、信号处理器、透光性强且透光均匀的实验台等设备。其复杂的光学系统仅适用于模型透光性强、几何边界简单的流动，对于复杂结构的内部流动，由于其设备壁面透光性减弱而难以适用；而且在流场中分布粒子，可能对流场产生一定影响；另外，激光多普勒测速技术是单次单点测量技术，对整场速度测量耗时较长而且空间分辨率有限。

激光粒子成像测速技术(piv)是一种基于粒子成像的非接触式速度测量方法。其原理为：在流场中分布粒子，然后采用激光照射粒子，在相邻极短时间内拍摄粒子图像，根据相邻时刻粒子位移计算粒子所在位置流场速度。和激光多普勒测速技术类似，激光粒子成像测速技术需要复杂的激光与相机等光学系统，对设备的透光性要求较高，不适用于几何结构复杂的模型内流场测量；而且需要在流场中分布粒子，可能对流场产生一定影响；另外，该技术局限于局部区域，单次只能测量某平面内二维速度分布，空间三维速度测量需要复杂的三维体式piv系统，三维全场速度测量耗时较长。

因此，现有的常规测量方法不仅测量耗时较长，而且由于复杂结构几何边界的复杂性以及材料的较差的透光性，无法适用于复杂结构内部流动的三维速度场测量。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置及实验方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置，包括主回路管路、旁路管路和核磁共振成像系统，其中，

在所述主回路管路上设置有相互连通的第一储液箱和测试段，所述测试段放置于所述核磁共振成像系统中，所述测试段中设置有复杂结构安装位，所述复杂结构安装位位于所述核磁共振成像系统的扫描区中；

所述旁路管路连接在所述第一储液箱和所述复杂结构安装位之间；

所述主回路管路用于向所述复杂结构安装位安装的复杂结构提供外部扰流流场；所述旁路管路用于在所述复杂结构的内部产生三维流场；所述核磁共振成像系统用于对所述扫描区施加射频激励磁场并且记录所述扫描区的核磁共振信号以得到所述复杂结构的三维全场速度。

在本发明的一个实施例中，所述测试段包括依次连接的入口段、扩张段、第一收缩段、发展段、实验段、第二收缩段和出口段；其中，

在沿所述入口段至所述出口段的方向上，所述扩张段的直径逐渐增大，所述第一收缩段的直径逐渐减小，所述发展段和所述实验段的直径均保持不变；

所述复杂结构安装位设置在所述实验段的底部，用于使所述复杂结构从所述复杂结构安装位嵌入所述实验段中以将所述主回路管路和旁路管路连通。

在本发明的一个实施例中，所述测试段还包括流储舱，所述流储舱安装在所述实验段的底部且所述流储舱的顶部设置有所述复杂结构安装位；

所述旁路管路连接在所述第一储液箱和所述流储舱之间。

在本发明的一个实施例中，所述主回路管路上还设置有第一机械泵、第一阀门和第二阀门，其中，

所述第一机械泵设置在所述第一储液箱和所述入口段之间；

所述第一阀门设置在所述第一机械泵和所述入口段之间；

所述第二阀门设置在所述第一储液箱和所述出口段之间。

在本发明的一个实施例中，所述旁路管路上依次设置有相互连通的第三阀门、第二储液箱、第二机械泵和第四阀门，且所述第三阀门位于所述旁路管路上靠近所述第一储液箱的一端。

在本发明的一个实施例中，所述第一阀门和所述测试段之间还设置有第一流量计，所述第四阀门和所述测试段之间还设置有第二流量计。

本发明的另一个实施例提供的一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验方法，所述实验方法应用于本发明实施例提供的流动测量实验装置，所述实验方法包括步骤：

将复杂结构安装在实验段的复杂结构安装位中；

使测试段充满静止状态的液体，利用核磁共振成像系统对扫描区施加射频激励磁场，并记录第一核磁共振信号，根据所述第一核磁共振信号得到所述复杂结构的每个位置处的第一相位φ0；

使所述主回路管路和所述旁路管路中的液体流动，利用核磁共振成像系统对所述扫描区施加所述射频激励磁场，并记录第二核磁共振信号，根据所述第二核磁共振信号得到所述复杂结构的每个位置处的第二相位φ；

根据所述第一相位φ0和所述第二相位φ计算得到所述复杂结构的三维全场速度。

在本发明的一个实施例中，所述复杂结构包括带有复杂内部冷却通道与气膜冷却结构的航空发动机涡轮叶片。

在本发明的一个实施例中，所述主回路管路中的液体为常温水，所述旁路管路中的液体为冷却水。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的流动测量实验装置中采用核磁共振成像系统对测试段的扫描，可以测量具有复杂几何边界的复杂结构的三维全场速度，对复杂结构的壁面透光性无要求，而且测量速度快，空间分辨率高，适用性广；同时，采用核磁共振成像系统测速为非接触式测量方法，无需在流场中额外分布粒子，避免了粒子对复杂结构的流场产生影响，提高了测量的准确率。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置的结构示意图；

图3为现有技术提供的一种涡轮叶片气膜冷却与内部冷却的系统结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

医学核磁共振成像根据不同组织结构内h原子浓度等性质不同引起的mr信号强度、相位等的差异来区分组织结构，产生对比度图片，以检测器官内部组织与结构。经研究发现，mr信号的相位还与原子运动速度有关，因此，可以将核磁共振成像技术应用于流场速度测量中。而将核磁共振速度测量技术应用于复杂结构内部流场测量与研究中，需设计搭建适用于医学核磁共振成像设备的流动测量实验装置。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置的结构示意图。该流动测量实验装置主要包括主回路管路、旁路管路和核磁共振成像系统。

具体地，在主回路管路上设置有相互连通的第一储液箱1和测试段4，第一储液箱1的出口通过管路连接测试段4的入口，测试段4的出口通过管路连接第一储液箱1的入口，从而形成主回路。

测试段4可以为主回路管路的一部分，并且将测试段4放置于核磁共振成像系统中。在测试段4中设置有复杂结构安装位10，复杂结构安装位10位于核磁共振成像系统的扫描区中。复杂结构安装位10用于安装待测的复杂结构以使复杂结构位于扫描区中。

旁路管路连接在第一储液箱1和复杂结构安装位10之间。

需要说明的是，本发明实施例中复杂结构是指其内部具有尺寸小、几何边界复杂的微通道结构，当流体通过该复杂结构时会在复杂结构的内部和外部产生复杂的三维流场。例如：复杂结构可以为航空航天领域的内部具有小流道、槽道、盘腔等的发动机，也可以为内部具有换热流道及表面气膜冷却孔的涡轮叶片，本发明实施例不做进一步限制。

上述流动测量实验装置中，第一储液箱1用于储存并向主回路管路和旁路管路提供流动液体。主回路管路用于在复杂结构的外部产生扰流流场。旁路管路用于在复杂结构的内部产生三维流场。复杂结构的外部流场和内部流场共同形成核磁共振成像系统的扫描区即三维全场速度测量区间，核磁共振成像系统对扫描区施加射频激励磁场并且记录扫描区的核磁共振信号；根据记录的核磁共振信号可以计算得到复杂结构的三维全场速度。进一步地，对于主回路管路和旁路管路中流体流动状态的控制，可以在主回路管路和旁路管路上设置相应的控制阀门，也可以在第一储液箱1上设置相应的控制阀门，还可以通过在测试段的入口和出口处设置相应的控制阀门。

由于核磁共振成像利用的原子包括h、c、n、p等，因此主回路管路和旁路管路中的流动液体中需包含这几种原子中的至少一种。优选地，流动液体选用为水，采用水不仅可以降低测量成本，而且在核磁共振成像设备中，水的信号较强，可以提高测量的准确性。

本实施例中的流动测量实验装置采用核磁共振成像系统进行速度测量，相比激光多普勒测速、激光粒子成像测速等速度测量系统，不需要复杂的光学系统，可快速实现几何边界复杂的、内部结构较小的复杂结构的三维全场速度的测量，具有广泛的模型适应性。而且，由于采用流体在复杂结构的内外产生三维全场速度为非接触式测量，无需在流场中额外分布粒子，避免了粒子对复杂结构的流场产生影响，提高了测量的准确性。

实施例二

在实施例一的基础上，请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置的结构示意图。该流动测量实验装置包括主回路管路、旁路管路和核磁共振成像系统。

具体地，在主回路管路上依次设置有第一储液箱1、第一机械泵2、第一阀门3、测试段4和第二阀门5。其中，第一储液箱1、第一机械泵2、第一阀门3、测试段4和第二阀门5之间依次通过管路进行连通，第二阀门5最终连接到第一储液箱1，从而形成主回路。

测试段4包括依次连接的入口段41、扩张段42、第一收缩段43、发展段44、实验段45、第二收缩段46、出口段47和流储舱48。入口段41与第一阀门3通过管路连通，出口段47通过管路与第二阀门5连通。入口段41、扩张段42、第一收缩段43、发展段44、实验段45、第二收缩段46、出口段47可以均为形成主回路管路的一部分管路。

在沿入口段41至出口段47的方向上，扩张段42的直径逐渐增大，第一收缩段43的直径逐渐减小，发展段44和实验段45的直径均保持不变；入口段41的直径可以保持不变，也可以逐渐增大。进一步的，扩张段42可以与入口段41、第一收缩段43直接进行连接，也可以通过管路进行连接；当通过管路连接时，扩张段42入口一侧的管路直径大于等于入口段41的直径，扩张段42出口一侧的管路直径小于等于第一收缩段43入口的直径。

由于测量完毕出口处的流体进行回流，不参与测试，因此，第二收缩段46和出口段47的直径不做要求，二者的直径可以逐渐缩小，也可以逐渐增大，也可以保持不变，也可以将第二收缩段46和出口段47合为一段。本实施例设置第二收缩段46直径逐渐缩小，出口端47直径不变。

设置扩张段42的直径逐渐增大、第一收缩段43的直径逐渐减小、发展段44的直径保持不变，可以使得从入口段41进入的液体流速减缓，最终在实验段45内形成均匀来流。

测试段4位于核磁成像系统中，实验段45中安装有复杂结构的部分位于核磁成像系统中的扫描区中。为满足核磁共振设备要求，测试段4的通道可用有机玻璃制成。

流储舱48安装在实验段45的底部，在实验段45的底部和流储舱48的顶部设置有复杂结构安装位10。复杂结构可以从流储舱48内向上延伸至实验段中，从而复杂结构将流储舱48与实验段45连通。流储舱48的旁侧设置有入口部，旁路管路连接在第一储液箱1和流储舱48的入口部之间，旁路管路中的流动液体从流储舱48中流入复杂结构的内部，从复杂结构流出的液体进入实验段45。

在旁路管路上依次设置有相互连通的第三阀门6、第二储液箱7、第二机械泵8和第四阀门9。第三阀门6位于靠近第一储液箱1的一端，与第一储液箱1通过管路连通；第四阀门9位于靠近流储舱48的一端，与流储舱48通过管路连通。

进一步的，还可以在第一阀门3和测试段4的入口段41之间还设置第一流量计11，在第四阀门9和测试段4的流储舱48之间还设置有第二流量计12。可以通过流量计11、12的控制来调整复杂结构内部和外部的液体流速的大小，从而精确控制复杂结构内外部的流场，以得到精细化的测量速度。

本实施例以复杂结构为带有复杂内部冷却通道与气膜冷却结构的航空发动机涡轮叶片为例对流动测量实验装置进行进一步说明。航空发动机涡轮叶片中复杂精细的冷却系统，是用来提高涡轮前燃气温度、延长叶片寿命的关键部件。涡轮叶片冷却系统包括内部冷却和气膜冷却，如图3所示，图3为现有技术提供的一种涡轮叶片气膜冷却与内部冷却的系统结构示意图，其中，(a)为气膜冷却，(b)为内部冷却；可通过3d打印制作图3中所示的包含复杂内部冷却和气膜冷却通道的全尺寸涡轮叶片。冷却气在冷却通道中的分布及流动状态决定了冷却系统的冷却效率。由于冷却通道尺寸限制，很难在其中布置热线风速仪等接触式速度测量仪来测量通道内速度分布；同时，冷却通道结构复杂，壁面透光度难以达到ldv和piv测量的要求，因此基于光学基础的流场测量难以实现。对于类似复杂微通道内的流场测量，可以利用上述基于核磁共振成像系统的流动测量实验装置来实现。

具体地，采用水作为流动液体在涡轮叶片的内部和外部形成三维速度场，三维速度场包括涡轮叶片内部冷却通道内、气膜冷却孔内、叶片表面冷却孔下游和主流在涡轮叶片外部扰流流场在内的三维空间。

第一储液箱1为常温水储箱，使主回路管路中流动常温水，常温水进入实验段45在涡轮叶片外部形成外部扰流。第一机械泵2、第一阀门3、第二阀门5控制常温水从第一储液箱1流动至测试段4再返回第一储液箱1。第一流量计11控制涡轮叶片外部扰流的大小。

第二储液箱7为冷却水储箱，使旁路管路中流动冷却水，冷却水通过管路进入测试段4的流储舱48，冷却流从流储舱48进入涡轮叶片内部冷却通道，经气膜冷却孔流出叶片进入实验段45主流。第三阀门6控制常温水流动至第二储液箱7，第二机械泵8、第四阀门9控制冷却水进入流储舱48，再通过涡轮叶片进入实验段45的主流中。第二流量计12控制涡轮叶片内部流体的流速大小。

核磁共振成像系统的扫描区对涡轮叶片的三维全场速度进行扫描测量，得到涡轮叶片的速度场分布，为涡轮叶片的结构设计及优化提供理论依据。

本实施例的流动测量实验装置通过将测试段设计为不同的直径，保证了复杂结构外部的流动平稳性，提高了三维全场速度测量的准确性；通过设置各个控制阀门，提高流动测量实验装置的可操作性和可控性；通过设置流量计，可以实现对复杂结构内外部流场的精确控制。该流动测量实验装置实现了精确测量复杂结构内外部三维全场速度的测量，从而可以得到精确的复杂结构的内部流动结构，为其内部流动结构的设计和优化奠定了理论基础。

实施例三

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种基于核磁共振成像系统的流动测量实验方法的流程示意图。该实验方法采用实施例二中的流动测量实验装置来测量复杂结构的三维全场速度，以改善复杂结构的内部结构设计。

该实验方法包括步骤：

s1、将待测的复杂结构安装在流动测量实验装置测试段45的复杂结构安装位10中。安装时，需保证复杂结构内部通道的入口位于流储舱48中，出口位于实验段45中。

s2、使测试段4中充满静止状态的液体，利用核磁共振成像系统获取复杂结构的每个位置处的第一相位φ0。

具体地，打开第一机械泵2、第一阀门3、第二阀门5、第三阀门6、第二机械泵8、第四阀门9，使得主回路管路和旁路管路中均充满液体；然后，关闭第二阀门5，切断测试段4出口的液体流动；之后，关闭第一阀门3、第四阀门9，接着关闭第一机械泵2和第二机械泵8，切断测试段4入口的液体流动，测试段4中充满静止状态的液体。本实施例使测试段4中充满静止状态的液体的操作方法还可以通过人工手动控制实现，不仅限于上述通过机械泵和阀门控制的方法。

启动核磁共振成像系统，此时扫描区处于静态强磁场中。然后利用核磁共振成像系统对扫描区施加强度有空间梯度变化的射频激励磁场。其中，空间梯度变化是指在核磁共振测量的一个面中，以该面某一位置为起始点进行延伸，所延伸的每个位置的射频激励磁场强度是逐渐增大或者逐渐减小的。射频激励磁场由若干次短暂的脉冲信号形成，每次脉冲信号的持续时间为几毫秒，因此，采用核磁共振系统一小时内可成功采集空间两百多万个点的三维速度向量，具有较快的测量速度。

扫描完毕后，记录第一核磁共振信号；根据第一核磁共振信号得到复杂结构的每个位置处的第一相位φ0。

s3、使所述主回路管路和所述旁路管路中的液体流动，利用核磁共振成像系统获取复杂结构的每个位置处的第二相位φ。

具体地，打开第一机械泵2、第一阀门3、第二阀门5、第三阀门6、第二机械泵8、第四阀门9，使得主回路管路和旁路管路中的液体进行流动；调节第一流量计11来调节主回路管路中液体的流量，调节第二流量计12来调节旁路管路中液体的流量，使得复杂结构的内外产生预定的流场；启动核磁共振成像系统，此时扫描区处于静态强磁场中。然后利用核磁共振成像系统对扫描区施加强度有空间梯度变化的射频激励磁场，本次施加的射频激励磁场与步骤s2中施加的射频激励磁场保持一致。记录第二核磁共振信号并获得复杂结构的每个位置处的第二相位φ。

当复杂结构为带有复杂内部冷却通道和气膜冷却结构的航空发动机涡轮叶片时，采用水作为工作介质，主回路管路中流动常温水，旁路管路中流动冷却水。

s4、根据第一相位φ0和第二相位φ计算得到复杂结构的三维全场速度。

以水作为主回路管路和旁路管路中的流动液体为例，采用核磁共振成像系统测量复杂结构的三维全场速度的原理为：扫描区处于静态强磁场b0中时，工作介质水中的h原子在强磁场中做螺旋运动并产生净磁场m0；对扫描区施加短暂的强度有空间梯度变化的射频激励磁场rf，使原子旋动偏离平衡态，净磁场m0发生变化；rf消失后h原子向平衡态转变的过程中其变化的净磁场m在射频接受线圈中产生磁共振信号mr。mr信号的频率与外界磁场强度有关，因此，在强度有空间梯度变化的rf作用下，mr信号的频率信息反映射频激励磁场强度。而射频激励磁场强度在空间有梯度变化，因此，mr信号在空间具有不同的频率，不同频率的mr信号的强度及相位信息对应不同位置处mr信号的幅值及相位。mr信号的幅值大小反映h原子浓度，mr信号的相位与h原子的运动速度有关。因此，不同频率的mr信号的相位信息，反映不同位置处h原子的运动速度。

根据运动流体中h原子的位移公式：

其中，为h原子的位移，为h原子的初始位置。

可以得到mr信号的相位与射频激励磁场强度原子运动速度的关系：

其中，为初始时刻相位，即第一相位；为复杂结构的三维速度场流动后的相位，即第二相位。

三维速度场流动引起原子运动，进而得到由原子运动引起的相位差与原子运动速度的关系：

其中，γ为h原子旋磁比(旋磁运动频率与静态强磁场b0之比)，为射频激励磁场强度，t为射频激励磁场的脉冲信号持续时间，te为射频激励信号和回声信号时间间隔，为复杂结构内部每个位置处质点的运动速度即原子运动速度。

根据φ0和φ，由式(3)就可以得到进而由得到复杂结构的三维全场速度。

本实施例基于核磁共振成像系统的流动测量实验方法可快速实现复杂结构内部三维速度场的高精度、高空间分辨率(<1mm)测量，且测量速度快，对流场不产生影响，是一种具有独特优势的先进速度测量方法；而且该实验方法在流动测量实验装置中进行，可以充分模拟复杂结构内外部的流场，进而结合核磁共振成像技术得到精确的三维全场速度测量结果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。