可编程非定常流涡环生成装置

本发明属于流体力学实验，特别涉及可编程非定常流涡环生成装置。

背景技术：

1、市场中常见的与本发明比较接近的空气涡环发生器，多为所谓的“空气炮”，使用类似圆筒的结构将其中的烟雾，通过人工弹射或者快速挤压，在空气中形成涡环快速运动，具有一定的观赏性。这种装置产生的空气涡环结构边界比较模糊，运动速度不可控，随机性较强，无法仔细观察，更没法测量和研究。而且还有一些国外涡环爱好者，制作过利用液压系统控制工作的涡环对撞机，这种设备结构复杂，体积庞大，造价昂贵，仅为完成涡环对撞目的设计，实用性不强，难以推广使用，也无法利用在流体力学实验教学中。

技术实现思路

1、本发明提供可编程非定常流涡环生成装置，用于解决上述问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

3、本发明涉及可编程非定常流涡环生成装置，包括水箱、涡环生成装置和染色剂加注装置，其特征在于：所述水箱内设置有成像背景板及测量标尺，所述喷口装置设置在水箱中部侧端且其端面与成像背景板及测量标尺成呈垂直状态，所述涡环生成装置由活塞缸及喷口装置、多轴可编程控制器、伺服电机推进装置、伺服电机控制器和24v直流电源组成，所述染色剂加注装置由染色剂推注控制器、微型电泵组成。

4、作为本发明的一种优选技术方案，述水箱内设置成像背景板及标尺和led照明光源所述，水箱内安装有喷口装置，所述喷口装置是由喷口和喷口基座组成。

5、作为本发明的一种优选技术方案，所述喷口装置为圆管状，所述喷口装置设置在水箱侧板中部且与水箱侧板采用法兰盘连接，所述喷口装置侧板与法兰盘用八颗不锈钢螺钉螺母紧固且中间加装密封圈防止漏水，所述喷口装置端面与成像背景板及测量标尺成呈垂直状态且其轴线与成像背景板及测量标尺距离140mm。

6、作为本发明的一种优选技术方案，所述喷口装置与活塞缸呈同轴布置，所述水箱侧板上的开孔与活塞缸连通，活塞缸在水箱外部，所述活塞缸通过法兰盘与水箱侧板连接，所述活塞缸与喷口装置上的八颗不锈钢螺钉螺母共用，所述法兰盘与水箱侧板间加装有密封垫圈。

7、作为本发明的一种优选技术方案，所述测量标尺选用不锈钢材质，所述测量标尺的量程为600mm，所述测量标尺固定在背景板上，所述测量标尺尺面平齐背景板，所述测量标尺中线与喷口装置轴线等高并保持在同一水平面上。

8、作为本发明的一种优选技术方案，所述活塞缸一端固定在水箱侧板上，所述活塞缸另一端通过支架与本发明装置的外部框架固定，所述活塞缸中的活塞安装有连杆，所述连杆另一端与伺服电机推进装置中的滑台通过法兰盘连接固定，所述连杆与活塞缸保持同轴，所述滑台的运动方向与连杆轴线同向。

9、作为本发明的一种优选技术方案，所述伺服电机推进装置中的伺服电机通过联轴器与丝杠连结，所述丝杠与滑台配合，所述伺服电机推进装置通过支架与外部框架固定，所述活塞缸中的活塞安装有连杆，所述连杆另一端与伺服电机推进装置中的滑台通过法兰盘连接固定，所述连杆与活塞缸保持同轴，所述滑台的运动方向与连杆轴线同向，所述伺服电机推进装置中的伺服电机通过联轴器与丝杠连结，所述丝杠与滑台配合，所述伺服电机推进装置通过支架与外部框架固定，所述伺服电机推进装置中的伺服电机通过信号线与伺服电机控制器连接，所述伺服电机转动状态由伺服电机控制器控制，所述伺服电机控制器安装在伺服电机推进装置高一层位置且相互隔离开，所述伺服电机控制器通过信号线与多轴可编程控制器电性连接，所述多轴可编程控制器安装在本发明装置的前面板上。

10、作为本发明的一种优选技术方案，所述多轴可编程控制器采用在计算机上使用专用的编程软件进行编程和直接使用多轴可编程控制器进行编程两种方式进行编程，所述多轴可编程控制器、伺服电机控制器、伺服电机均由24v直流电源单独供电，相互隔离不可并接，避免电磁干扰。

11、作为本发明的一种优选技术方案，所述染色剂加注装置包括染色剂推注控制器和微型电泵，所述染色剂推注控制器通过信号线与多轴可编程控制器连接。

12、本发明所达到的有益效果是：

13、1.涡环生成稳定，涡环结构清晰，便于观察和测量。本发明能够完整展现三维流场非定常流下的涡环的演化和生长过程，可以反复重现相同参数的涡环结构，稳定性非常高；使用本发明生成的涡环结构清晰，纹理层次分明，非常适合观察和拍照记录，进行数据测量，进行相关研究。

14、2.设备结构简洁完整，控制精度好，实用性可靠性高。本发明布局设计合理，整体结构稳定性好，均采用成熟技术和零部件，可靠性安全性高。本发明外框架采用铝合金型材制作，拥有很高强度，水箱采用8mm厚的优质亚克力板材制作，高透明度，高强度，耐老化。本发明选用知名厂家生产的多轴可编程控制器作为主控设备，控制精度高，稳定性和灵敏度高。所选伺服电机和直线滑台部件，均为市场成熟产品，为整机设备稳定运行提供了可靠保证。

15、3.易于编程，功能多样。使用多轴可编程控制器作为主控设备，控制伺服电机控制器驱动伺服电机推进装置，完成对活塞缸的运动控制，从而在水箱中利用流体从活塞中流出受到剪切作用而形成涡环。多轴可编程控制器是精密控制仪器，能控制多通道的运动状态，精度高，稳定性好。该仪器可以根据实验要求，编制相应的程序运行，比如生成不同速度的涡环，生成单涡环或者多涡环。

16、通过使用本发明，可以揭示涡环运动的基本规律，并能初步对涡环的形成、传输以及相互的干扰进行一定的研究。通过研究涡环的演化和生长，可以理解流动的机理和非定常流运动形式产生高效流体动力的原理。本发明丰富了流体力学实验手段，提高了教学效果，适合开设有相关流体力学课程的实验室建设选用。

技术特征：

1.可编程非定常流涡环生成装置，包括水箱、涡环生成装置和染色剂加注装置，其特征在于：所述水箱内设置有成像背景板及测量标尺，所述喷口装置设置在水箱中部侧端且其端面与成像背景板及测量标尺成呈垂直状态，所述涡环生成装置由活塞缸及喷口装置、多轴可编程控制器、伺服电机推进装置、伺服电机控制器和24v直流电源组成，所述染色剂加注装置由染色剂推注控制器、微型电泵组成。

2.根据权利要求1所述的可编程非定常流涡环生成装置，其特征在于：所述水箱内设置成像背景板及标尺和led照明光源所述，水箱内安装有喷口装置，所述喷口装置是由喷口和喷口基座组成。

3.根据权利要求1所述的可编程非定常流涡环生成装置，其特征在于：所述喷口装置为圆管状，所述喷口装置设置在水箱侧板中部且与水箱侧板采用法兰盘连接，所述喷口装置侧板与法兰盘用八颗不锈钢螺钉螺母紧固且中间加装密封圈防止漏水，所述喷口装置端面与成像背景板及测量标尺成呈垂直状态且其轴线与成像背景板及测量标尺距离140mm。

4.根据权利要求1所述的可编程非定常流涡环生成装置，其特征在于：所述喷口装置与活塞缸呈同轴布置，所述水箱侧板上的开孔与活塞缸连通，活塞缸在水箱外部，所述活塞缸通过法兰盘与水箱侧板连接，所述活塞缸与喷口装置上的八颗不锈钢螺钉螺母共用，所述法兰盘与水箱侧板间加装有密封垫圈。

5.根据权利要求1所述的可编程非定常流涡环生成装置，其特征在于：所述测量标尺选用不锈钢材质，所述测量标尺的量程为600mm，所述测量标尺固定在背景板上，所述测量标尺尺面平齐背景板，所述测量标尺中线与喷口装置轴线等高并保持在同一水平面上。

6.根据权利要求1所述的可编程非定常流涡环生成装置，其特征在于：所述活塞缸一端固定在水箱侧板上，所述活塞缸另一端通过支架与本发明装置的外部框架固定，所述活塞缸中的活塞安装有连杆，所述连杆另一端与伺服电机推进装置中的滑台通过法兰盘连接固定，所述连杆与活塞缸保持同轴，所述滑台的运动方向与连杆轴线同向。

7.根据权利要求1所述的可编程非定常流涡环生成装置，其特征在于：所述伺服电机推进装置中的伺服电机通过联轴器与丝杠连结，所述丝杠与滑台配合，所述伺服电机推进装置通过支架与外部框架固定，所述活塞缸中的活塞安装有连杆，所述连杆另一端与伺服电机推进装置中的滑台通过法兰盘连接固定，所述连杆与活塞缸保持同轴，所述滑台的运动方向与连杆轴线同向，所述伺服电机推进装置中的伺服电机通过联轴器与丝杠连结，所述丝杠与滑台配合，所述伺服电机推进装置通过支架与外部框架固定，所述伺服电机推进装置中的伺服电机通过信号线与伺服电机控制器连接，所述伺服电机转动状态由伺服电机控制器控制，所述伺服电机控制器安装在伺服电机推进装置高一层位置且相互隔离开，所述伺服电机控制器通过信号线与多轴可编程控制器电性连接，所述多轴可编程控制器安装在本发明装置的前面板上。

8.根据权利要求6所述的可编程非定常流涡环生成装置，其特征在于：所述多轴可编程控制器采用在计算机上使用专用的编程软件进行编程和直接使用多轴可编程控制器进行编程两种方式进行编程，所述多轴可编程控制器、伺服电机控制器、伺服电机均由24v直流电源单独供电，相互隔离不可并接，避免电磁干扰。

9.根据权利要求7所述的可编程非定常流涡环生成装置，其特征在于：所述染色剂加注装置包括染色剂推注控制器和微型电泵，所述染色剂推注控制器通过信号线与多轴可编程控制器连接。

技术总结
本发明属于流体力学实验技术领域的可编程非定常流涡环生成装置，包括水箱、涡环生成装置和染色剂加注装置，其特征在于：所述水箱内设置有成像背景板及测量标尺，所述喷口装置设置在水箱中部侧端且其端面与成像背景板及测量标尺成呈垂直状态，所述涡环生成装置由活塞缸及喷口装置、多轴可编程控制器、伺服电机推进装置、伺服电机控制器和24V直流电源组成，所述染色剂加注装置由染色剂推注控制器、微型电泵组成；此可编程非定常流涡环生成装置可以编程生成稳定的涡环，方便观测，能初步对涡环的形成、传输以及相互的干扰进行一定的研究。本发明丰富了流体力学实验手段，提高了教学效果，适合开设有相关流体力学课程的实验室建设选用。

技术研发人员：王旭东,马超,单泽众
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12