一种基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置及方法 |
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| 申请号 | CN201610863602.9 | 申请日 | 2016-09-29 | 公开(公告)号 | CN106370885A | 公开(公告)日 | 2017-02-01 |
| 申请人 | 中北大学; | 发明人 | 刘有智; 张巧玲; 郭加欣; 张珺; 袁志国; 祁贵生; 罗莹; 申红艳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置及方法。所述装置包括PIV装置和旋转盘反应装置，PIV装置包括计算机、同步器、激光发生器、CCD相机；旋转盘反应装置包括旋转盘反应器、储液槽，在旋转盘反应器的转盘上方平行设置激光发生器，其发射的激光光束平行于转盘上表面；CCD相机垂直向下拍摄转盘表面的液膜。测量方法是： 激光器 发射的 激光束 经过镜片组后形成激光片光平行照射到旋转盘表面液膜内，对液膜照亮区域进行照相，CCD相机拍摄的图片传输至计算机，通过互相关 算法 处理得到 流体 的速度场。本发明首次提出将PIV技术测量应用在旋转盘表面流场，对了解旋转盘反应器的流动机理起到至关重要的作用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置，其特征在于：包括PIV装置和旋转盘反应装置，所述PIV装置包括计算机、同步器、激光发生器、CCD相机；计算机控制同步器，同步器分别连接激光发生器和CCD相机；所述CCD相机设置在定位支架上； |
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| 说明书全文 | 一种基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及一种基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置及方法。 背景技术[0002] 旋转盘反应器（SDR）是一种过程强化装置，液体自转盘中心进入，在离心力作用下以发散的形式向外运动，形成高切变液膜，具有结构简单，易于放大，高效的传质传热性能和连续反应的特点，适用于传质传热受限的快速化学反应，已被用于制备纳米粉体、高分子聚合和降解废水等。 [0003] 流场的测试不仅可揭示旋转盘反应器的强化机理，同时也可为反应器优化设计和数值模拟提供基础数据。文献1“Measurement of liquid Film thickness and the determination of spin-up radius on a rotating disc using an electrical resistance technique.Chem. Eng. Sci. 58 (2003) 2245–2253”提出一种快速测量旋转盘表面液膜厚度的方法，将12个同心圆环均匀镶嵌在圆盘表面，并将其与电极相连测量该位置电阻率，根据膜厚度与电阻率的关系计算得到不同流量和转速条件下的膜厚度。文献2“The turbulent rotating-disk boundary layer. European Journal of Mechanics B/Fluids 48 (2014) 245–253”将热线风速仪用于测量旋转盘表面流场，获得了速度场的统计分布。上述文献使用传统的直接测量方法测量旋转盘表面薄膜流场，对薄膜的流动具有干扰，会在一定程度上影响测量结果的准确性；此外，这些方法每次只能在一个或几个位置测量，无法对全流场进行测量，而要了解全流场的，需要进行不同位置的多次测量，上述方法效率均较低，同时由于这些测量结果不是同一时间获得的，是近似宏观的平均结果，给分析带来不便。 [0005] 由于转盘表面液膜为非定常流动，膜厚度约50-500μm且波动明显，给全流场瞬时测量带来了困难，对其激光的定位也有很高的要求，目前还没有发现对旋转盘反应器流场进行PIV测量的实验装置和方法。 发明内容[0006] 本发明旨在提供一种基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置，解决了旋转盘表面流场的测量问题，实现了瞬态、多点、无接触式测量。本发明还提供了基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的方法。 [0007] 本发明提供了一种基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置，包括PIV装置和旋转盘反应装置，所述PIV装置包括计算机、同步器、激光发生器、CCD相机；计算机控制同步器，同步器分别连接激光发生器和CCD相机；所述CCD相机设置在定位支架上，定位支架用于放置和调节CCD相机的高度。 [0008] 所述旋转盘反应装置包括旋转盘反应器、储液槽，旋转盘反应器和储液槽组成一个循环体系；其中旋转盘反应器包括壳体、转盘、转轴、进液管与出液管，进液管置于壳体上盖中央，出液管设置在壳体底部，壳体安装于水平台上，转盘水平设置在壳体内部中央，转盘通过转轴带动旋转，转轴与电机连接，电机的控制端连接变频器；储液槽通过泵与转盘反应器的进液管连接，液体输送管路上安装液体流量计，转盘反应器的出液管与储液槽上方入口连接；在转盘上方平行设置激光发生器，激光发生器发出的激光光束平行于转盘上表面；CCD相机设置在转盘上方，垂直向下拍摄转盘表面的液膜。 [0009] 上述装置中，所述旋转盘反应装置的进液管下端与转盘中心的距离为2mm-30mm。 [0013] 本发明提供了一种采用上述基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置进行测量的方法，包括以下步骤：（1）开启PIV测试系统，并调节激光发生器的精密位移台、CCD相机的定位支架，使激光光束平行于旋转盘表面，CCD相机垂直向下拍摄转盘表面的液膜； 所述激光发生器发射出面光源，平行于转盘表面，照亮液膜；CCD相机拍摄的图片传输至计算机，通过互相关算法处理得到流体的速度场； （2）在储水槽中加入测量液体，向液体中加入质量浓度为0.01%-0.5%的示踪粒子，开启旋转盘反应装置，设置转盘转速为50-400rpm、液体流量为20-100L/h，维持该状态运行1- 3min； （3）通过扭动精密位移台的调节旋钮改变激光发生器的高度，使激光发生器发射的激光束经过镜片组后形成激光片光平行照射到旋转盘表面液膜内，对液膜照亮区域进行照相，拍摄50-200对图片，对产生的图像进行分析，获得流场的速度分布。 [0014] 上述方法中，PIV装置各部件是通过安装在计算机上的配套软件设置的，主要参数设置为：拍摄图片的时间间隔∆t为20-200μs，查询区域为32×32pixel或64×64pixel，重叠区域为25%、50%、75%中的一个。 [0016] 上述方法中，拍摄图片时，要求拍摄在暗室中进行，采用激光发生器发射的片光源为拍摄光源。 [0017] 上述方法中，图像分析主要在PIV装置的软件Insight 4G中进行，采用互相关算法计算分析一对照片可以得到流场的速度矢量图。所谓互相关算法是互相关是做相关处理的两幅图片独立存在（在PIV实验中为两次曝光成像在两张底片上）。做相关计算时，图像中的判读小区域在另一图像中寻找其最大相似度的区域，降低了相关处理中的背景噪声，相关的有效粒子数增加，信噪比提高，增加判读识别的准确度。Tecplot系列软件是由美国Tecplot公司推出的功能强大的数据分析和可视化处理软件。本发明中主要用于处理Insight 4G计算得出的速度矢量图，可显示流场的速度云图、流线图、径向和周向速度分量等。 [0018] 本发明首次提出了用于测试旋转盘反应器内部流场的PIV实验装置及方法；带来的有益效果：（1）采用PIV技术测量旋转盘表面流场，不仅克服了电阻法和热线风速仪法对流场的干扰，而且能一次性得到一个平面的数据，效率高； （2）解决了旋转盘表面流场的测量问题，对了解旋转盘反应器的流动机理起到至关重要的作用，能够为其数值模拟和理论研究提供数据支持。 附图说明 [0019] 图1为本发明测量装置的整体结构图；图2为图1中旋转盘反应器的结构图； 图3为旋转盘反应器流场的速度分布图；图中（a）50rpm、40L/h；（b）150rpm、80L/h；（c） 300rpm、60L/h；（d）200rpm、40L/h；（e）400rpm、100L/h； 图中：1为储液槽，2为泵， 3 为阀门，4 为流量计，5 为旋转盘反应器，6 为CCD相机，7为激光发生器，8为电机，5.1 为进液管，5.2 为壳体，5.3 为转盘，5.4 为转轴，5.5 为出液管。 具体实施方式[0020] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。 [0021] 如图1和2所示，一种基于PIV技术测量旋转盘反应器流场的装置，包括PIV装置和旋转盘反应装置，所述PIV装置包括计算机、同步器、激光发生器7、CCD相机6；计算机控制同步器，同步器分别连接激光发生器7和CCD相机6；所述CCD相机6设置在定位支架上，定位支架用于放置和调节CCD相机的高度。 [0022] 所述旋转盘反应装置包括旋转盘反应器5、储液槽1，旋转盘反应器5和储液槽1组成一个循环体系；其中旋转盘反应器5包括壳体5.2、转盘5.3、转轴5.4、进液管5.1与出液管5.5，进液管5.1置于壳体上盖中央，出液管5.5设置在壳体底部，壳体5.2安装于水平台上，转盘5.3水平设置在壳体内部中央，转盘5.3通过转轴5.4带动旋转，转轴5.4与电机8连接，电机8的控制端连接变频器；储液槽1通过泵2与转盘反应器的进液管5.1连接，液体输送管路上安装液体流量计4，转盘反应器的出液管5.5与储液槽1上方入口连接。 [0023] 在转盘5.3上方平行设置激光发生器7，激光发生器7发出的激光光束平行于转盘5.3上表面；CCD相机6设置在转盘5.3上方，垂直向下拍摄转盘表面的液膜。 [0024] 本实施例中PIV装置是由TSI公司生产的，同步器和激光发生器是基本组成部分（其中激光发生器的型号为YAG200-15-QTL，同步器的型号为610036）。 [0025] 进一步地，所述旋转盘反应装置的进液管下端与转盘中心的距离为2mm-30mm。 [0026] 进一步地，所述旋转盘反应装置的壳体为长方体结构，壳体的材质为有机玻璃、石英玻璃或钢化超白玻璃中的一种，壳体采用胶黏剂固定在不锈钢底座上，底座上设有方形的凹槽，便于壳体与底座的粘接。 [0027] 进一步地，所述旋转盘反应装置的转盘表面使用不反光涂料均匀喷涂，转盘与转轴通过销键或螺纹连接。更进一步地，所述不反光涂料为聚氨酯涂料、环氧涂料中的一种。 [0028] 进一步地，所述激光发生器安装在精密位移台上，高度调节精度为1-100μm；所述精密位移台是卓立汉光公司的组合位移台，包括一个升降台和两个角位移台，能够实现三维精密调节。 [0029] 采用上述装置测量旋转盘反应器流场的具体方法为：首先，开启PIV装置，并调节激光发生器的精密位移台、CCD相机的定位支架，使激光平行于旋转盘表面，CCD相机垂直向下拍摄转盘表面的液膜；CCD相机拍摄的图片传输至计算机，通过互相关算法处理得到流体的速度场；所述激光发生器发射出面光源，平行于转盘表面，照亮液膜； 其次，在储水槽中加入0.5-2L测量液体，向液体中加入质量浓度为0.01%-0.5%的示踪粒子，开启旋转盘反应器装置，设置转速为50-400rpm、液体流量为20-100L/h，维持稳定状态运行1-3min； 最后，通过扭动精密位移台的调节旋钮改变激光发生器的高度，使激光器发射的激光束经过镜片组后形成激光片光平行照射到旋转盘表面液膜内，对液膜照亮区域进行照相，激光器和CCD相机的位置关系如图1所示，激光器水平放置，CCD相机垂直向下放置。拍摄图片的时间间隔∆t为20-200μs，拍摄50-200对图片，对产生的图像进行分析，获得流场的速度分布。 [0030] 本发明中，PIV装置各部件是通过安装在计算机上的配套软件设置的，主要参数设置为：拍摄图片的时间间隔∆t为20-200μs，查询区域为32×32pixel或64×64pixel，重叠区域为25%、50%、75%中的一个。 [0031] 实施例1：采用上述装置和方法基于PIV技术测量旋转盘反应器流场，PIV装置各部件是通过安装在计算机上的配套软件设置的，主要参数设置为：时间间隔设置为50 μs，查询区域为32× 32pixel，重叠区域为50%。PIV测试使用的液体是水，水的透光效果好，廉价易得，无毒无害，不腐蚀设备。 [0032] 操作条件：储水槽中使用的测量液体为水，示踪粒子采用空心玻璃珠，浓度为0.1%（估算值）；转盘转速50rpm，液体流量40L/h。 [0033] 采用CCD相机拍摄50对图片，经PIV装置中的软件Insight 4G处理后，在Tecplot软件中显示流场的速度云图如图3（a）所示，径向方向的速度先减小后增大，流动方向呈螺旋线。 [0034] 实施例2：采用上述装置和方法基于PIV技术测量旋转盘反应器流场，操作条件：转盘转速 150rpm，液体流量80L/h；其余条件同实施例1。采用CCD相机拍摄50对图片，经PIV装置中的软件Insight 4G处理后，在Tecplot软件中显示流场的速度云图如图3（b）所示，径向方向的速度先减小后增大，流动方向呈螺旋线。 [0035] 实施例3：采用上述装置和方法基于PIV技术测量旋转盘反应器流场，操作条件：转盘转速 300rpm，液体流量60L/h；其余条件同实施例1。采用CCD相机拍摄50对图片，经PIV装置中的软件Insight 4G处理后，在Tecplot软件中显示流场的速度云图如图3（c）所示，径向方向的速度先减小后增大，流动方向呈螺旋线。 [0036] 实施例4：采用上述装置和方法基于PIV技术测量旋转盘反应器流场，操作条件：转盘转速 200rpm，液体流量40L/h；其余条件同实施例1。采用CCD相机拍摄50对图片，经PIV装置中的软件Insight 4G处理后，在Tecplot软件中显示流场的速度云图如图3（d）所示，径向方向的速度先减小后增大，流动方向呈螺旋线。 [0037] 实施例5：采用上述装置和方法基于PIV技术测量旋转盘反应器流场，操作条件：转盘转速 400rpm，液体流量100L/h；其余条件同实施例1。采用CCD相机拍摄50对图片，经PIV装置中的软件Insight 4G处理后，在Tecplot软件中显示流场的速度云图如图3（e）所示，径向方向的速度先减小后增大，流动方向呈螺旋线。 [0038] 上述实施例中，图像处理主要在PIV装置中的软件Insight 4G中进行，采用互相关算法计算分析一对照片可以得到流场的速度矢量图。所谓互相关算法是互相关是做相关处理的两幅图片独立存在（在PIV实验中为两次曝光成像在两张底片上）。做相关计算时，图像中的判读小区域在另一图像中寻找其最大相似度的区域，降低了相关处理中的背景噪声，相关的有效粒子数增加，信噪比提高，增加判读识别的准确度。Tecplot系列软件是由美国Tecplot公司推出的功能强大的数据分析和可视化处理软件。本发明中主要用于处理Insight 4G计算得出的速度矢量图，可显示流场的速度云图、流线图、径向和周向速度分量等。 |
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