一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法

本发明属于流场测试，尤其涉及到一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法。

背景技术：

1、安全阀广泛应用于航空、核电、化工等领域，对设备起到超压保护的作用，每年可以挽回大量的经济损失，对安全阀的基础特性的研究是提高安全阀保护的可靠性的重要手段。

2、安全阀也可以理解为是一种泄压装置，本发明中试验研究的是一种弹簧式安全阀，其组成部分主要包括：阀体、阀座、下调整环、阀瓣、阀瓣套筒、导向套、上调整环、阀杆、弹簧等；工作原理是：当所用设备内部压力超过安全阀的整定压力时，流体就会将阀瓣顶起，使得流体从安全阀出口端流出，设备达到降压目的，从而保护设备不遭受破坏；当设备内的流体压力降低到一定程度时，安全阀回座，直到安全阀出口完全关闭，流体不再流出。

3、目前国内已经开展了安全阀相关研究，但尚无可行的试验方法对安全阀内部流场进行可视化研究。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，它可以实现对安全阀内部流场及涡流现象的可视化研究。

2、一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法的试验装置，包括：流体提供源1，其提供试验流体，流体提供源1出口管道依次装有调节阀2和安全阀3，安全阀3安装管道的另一端(非安全阀出口)与压力容器4的进口端连接，压力容器4上装有压力表5、第三调节阀13、粒子发生器15，压力容器4的出口端处依次装有第二调节阀12和试验用的可视化安全阀7，可视化安全阀7出口端与试验流体收集装置8连接，激光发生器6放在第二可视化窗口7-2一侧，高速摄像机11放在可视化窗口7-1一侧，在高速摄像机11与可视化窗口7-1之间放有五棱面透镜10，同步器14与激光发生器6、高速摄像机11、电脑9分别连接，高速摄像机11与电脑9连接。

3、所述流体提供源1是为试验系统提供试验流体，可以实现开始或停止提供流体操作，具有控制流体质量流量大小的作用和安全保护机制。

4、所述调节阀2主要作用是控制由流体提供源1流出的流体质量流量。

5、所述安全阀3主要作用是当管路系统压力超过目标压力后，对管路系统进行泄压。

6、所述压力容器4用于储存试验流体达到目标试验压力，并且可以在该容器内对示踪粒子搅拌均匀；目标试验压力大于等于试验的可视化安全阀7的整定压力，但目标试验压力小于安全阀3的整定压力。

7、所述压力表5用于检测压力容器4内的压力。

8、所述第三调节阀13用于排泄压力容器4过多流体，保持压力容器内压力平衡。

9、所述粒子发生器15用于在未将试验流体流入压力容器4时，注入适量的示踪粒子。

10、所述示踪粒子跟随性好：一方面示踪粒子密度和流体接近，示踪粒子尺寸足够小，可沿着流线方向流动，斯托克斯数st<0.1；另一方面示踪粒子尺寸足够大，粒子散射光信号足够强，提高相机图像信噪比。

11、所述第二调节阀12的主要作用是控制压力容器4出口流体质量流量。

12、所述可视化安全阀7用于试验研究，当正视安全阀时，可视化安全阀7入口在下端，可视化安全阀7出口在右端；可视化安全阀7由两种材料构成，可视化窗口7-1和第二可视化窗口7-2由石英玻璃组成，其余部分为金属材料；可视化窗口7-1位于正视时的中间位置，可视化窗口7-1区域为最大矩形，可以观测安全阀内部区域；第二可视化窗口7-2位于正视时的左侧位置，左视时第二可视化窗口7-2区域为最大的槽形，亦可观测安全阀内部区域；可视化安全阀7入口就是压力容器4出口。

13、所述激光发生器6为绿光激光器，激光波长为532nm，功率为1000w；激光发生器6的镜头轴线与第二可视化窗口7-2的水平中心线处于同一水平直线上，为试验测试提供脉冲激光片光，并且保证提供足够的光源，使得高速摄像机11可以清晰的拍摄到示踪粒子。

14、所述高速摄像机11的镜头轴线与第二可视化窗口7-2的水平中心线处于同一水平直线上，为了采集安全阀内部流场照片。

15、所述五棱面透镜10在高速摄像机11与可视化窗口7-1之间，五棱面透镜10的轴线、高速摄像机11的镜头轴线、可视化窗口7-1的水平中心线三者处在同一水平直线上，五棱面透镜10的圆形平面对准可视化窗口7-1，五棱面透镜10的五棱面朝向高速摄像机11，采用五棱面透镜10主要是让流场粒子在五个棱面成像，为了流场粒子的三维重构做准备；五棱面透镜(10)的5个棱面的面积相等、形状相同。

16、所述激光发生器6镜头轴线与高速摄像机11镜头轴线夹角为70°。

17、所述同步器14用于接收电脑发出的触发信号，然后控制激光发生器6和高速摄像机11同时工作。

18、所述电脑9用于给同步器发出触发信号，并将试验数据储存，进行数据处理，包括对拍摄区域粒子的三维重构。

19、所述试验流体收集装置8用于收集可视化安全阀7排放的流体。

20、所述的一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，试验装置启动前，打开调节阀2，第二调节阀12和第三调节阀13保持关闭；开启流体提供源1，并将试验流体输送到压力容器4中，同时通过粒子发生器15向压力容器4内注入适量的示踪粒子，当压力容器4中压力达到目标压力的80％时，调整调节阀2和流体提供源1，减小压力容器4入口质量流量，当压力容器4内压力达到目标压力时，关闭调节阀2；并启动压力容器4内的搅拌器，使得示踪粒子与试验流体均匀混合；摆放好激光发生器6、高速摄像机11、五棱面透镜10、同步器14、电脑9与可视化安全阀7的位置，并用同步器14使得激光发生器6和高速摄像机11同时工作，打开第二调节阀12，调试好激光发生器6和高速摄像机11，关闭第二调节阀12；然后再次让压力容器4内达到目标试验压力，并使得试验流体中均匀的混合了合适浓度的示踪粒子，保持调节阀2、第二调节阀12、第三调节阀13关闭；用同步器14使得激光发生器6和高速摄像机11同时工作，打开第二调节阀12，随着压力的变化，可视化安全阀7会经过开启、稳定排放、关闭过程，同时对流场区域进行拍摄；试验结束后，关闭试验系统，关闭电源。

21、有益效果：

22、(1)本发明利用石英玻璃制造可视化窗口，通过运用piv技术，实现了安全阀的可视化研究，对研究安全阀内部流场和涡流现象，从而提高安全阀性能具有重要意义。

23、(2)本发明将安全阀可视化窗口与非接触式测量相结合，可以避免试验中对流场造成影响。

技术特征：

1.一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法的试验装置，其特征在于：包括流体提供源(1)，流体提供源(1)出口管道依次装有调节阀(2)和安全阀(3)，安全阀(3)安装管道的另一端(非安全阀出口)与压力容器(4)的进口端连接，压力容器(4)上装有压力表(5)、第三调节阀(13)、粒子发生器(15)，压力容器(4)的出口端处依次装有第二调节阀(12)和试验用的可视化安全阀(7)，可视化安全阀(7)出口端与试验流体收集装置(8)连接，激光发生器(6)放在第二可视化窗口(7-2)一侧，高速摄像机(11)放在可视化窗口(7-1)一侧，在高速摄像机(11)与可视化窗口(7-1)之间放有五棱面透镜(10)，同步器(14)与激光发生器(6)、高速摄像机(11)、电脑(9)分别连接，高速摄像机(11)与电脑(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，其特征在于：所述压力容器(4)用于储存试验流体达到目标试验压力，并且压力容器(4)内部安装有搅拌器；目标试验压力大于等于试验的可视化安全阀(7)的整定压力，但目标试验压力小于安全阀(3)的整定压力。

3.根据权利要求1所述的一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，其特征在于：所述可视化安全阀(7)安装在压力容器(4)的出口端，当正视安全阀时，可视化安全阀(7)入口在下端，可视化安全阀(7)出口在右端；

4.根据权利要求1所述的一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，其特征在于：所述激光发生器(6)的镜头轴线与第二可视化窗口(7-2)的水平中心线处于同一水平直线上。

5.根据权利要求1所述的一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，其特征在于：所述高速摄像机(11)的镜头轴线与第二可视化窗口(7-2)的水平中心线处于同一水平直线上。

6.根据权利要求1所述的一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，其特征在于：所述五棱面透镜(10)在高速摄像机(11)与可视化窗口(7-1)之间，五棱面透镜(10)的轴线、高速摄像机(11)的镜头轴线、可视化窗口(7-1)的水平中心线三者处在同一水平直线上，五棱面透镜(10)的圆形平面对准可视化窗口(7-1)，五棱面透镜(10)的五棱面朝向高速摄像机(11)，采用五棱面透镜(10)主要是让流场粒子在五个棱面成像，为了流场粒子的三维重构做准备；

7.根据权利要求1所述的一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，其特征在于：所述激光发生器(6)的镜头轴线与高速摄像机(11)的镜头轴线夹角为70°。

8.根据如权利要求1至7中任一项所述的一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法，其特征在于：

技术总结
本发明属于流场测试技术领域，尤其涉及到一种基于单相机的安全阀内部三维流场测试方法。包括：流体提供源，流体提供源出口管道依次装有调节阀和安全阀，安全阀安装管道的另一端与压力容器的进口端连接，压力容器上装有压力表、第三调节阀、粒子发生器，压力容器的出口端处依次装有第二调节阀和试验用的可视化安全阀，可视化安全阀出口端与试验流体收集装置连接，激光发生器放在第二可视化窗口7‑2一侧，高速摄像机放在可视化窗口7‑1一侧，在高速摄像机与可视化窗口7‑1之间放有五棱面透镜，通过运用PIV技术，实现了安全阀的可视化研究，对研究安全阀内部流场和涡流现象，从而提高安全阀性能具有重要意义。

技术研发人员：郭继文,刘友,胡松柏,黄冉冉,孙浩,李品臻
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2