[发明专利]一种使用粒子图像测速技术测量水沙两相流流场的方法

说明书

 

技术领域

    本发明属于流体试验领域的一种使用粒子图像测速技术（PIV）进行流体速度场测量的方法，特别是涉及对水沙两相流内部流动速度场的测量方法。

背景技术

粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，下文均简称为PIV），是七十年代末发展起来的一种瞬态、全流场、无接触的流体图像测速技术。其基本原理为：使用激光片光源将流体中需要观察的平面照亮，再由高速相机连续拍摄两张观察平面的图像，根据两张图像中微小颗粒（流体中的杂质、气泡或人为投放的示踪粒子）的位置变化和拍摄间隔时间得到观察平面的瞬时流动速度场（默认为微小颗粒与流体运动一致）。

由固体和液体组成的两相流是在水利建设、工业输送和环境科学中经常遇到的一种流体。固液两相流运动理论和应用已得到了广泛的关注与重视，水沙两相流和浑水异重流更是流体动力学中的研究热点。挟沙水流运动特性研究包括泥沙浓度分布、流速分布、紊动特性等方面的内容,是河流泥沙研究的基础课题。国内外学者采用激光流速仪（LDV）、超声多普勒流速仪（ADV）研究了水流携带泥沙以后的运动状态，以上方法都是测量流场中单一空间点的流动特性，缺乏实时流场全断面测定资料。而实时全断面流场试验测量对于验证水沙两相流数值计算模型、浑水异重流运动理论的完善都有重要意义。

作为一种较成熟的流体测速手段，PIV技术早已被应用在各种流体试验中，但由于对光学条件要求较高，在对于水沙两相流（如泥沙异重流浑水部分）流场测量等方面使用受到很大的影响。激光片光源射入到水沙两相流中光强会很快衰减，造成测量平面亮度差异大；同时浑水中透光性较差，测量平面被照亮后反射光衰减也很快，拍摄到的粒子图像效果很差（如图1、2所示）。所以通常只有低密度混合相才能使用PIV技术测量内部流场，对于高含沙浑水异重流用PIV技术测量时只能观测到异重流周边清水的流场，浑水中实时平面流场测量还很困难。因此PIV技术在水沙两相流中的应用受到了很大限制。

目前国内外还没有较成功的使用PIV技术观测水沙两相流内部流场的试验方法。本发明提出一种使用PIV技术观测水沙两相流内部流场的试验方法，使较高浓度水沙两相流内部流场观测得以实现。

发明内容

本发明的目的是给出一种使用PIV技术观测水沙两相流内部流动速度场的试验测量方法，使较高浓度水沙两相流内部流动速度场瞬时全场观测得以实现。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

1.       选取替换玻璃微珠与试验液体：对试验原有泥沙进行颗粒分析，并按照原有泥沙的级配配制替代用玻璃微珠；将原有泥沙与水按试验要求配制成混合液并进行沉降试验，观察混合液密度变化过程曲线；使用替换玻璃微珠与水进行上述沉降试验，观察混合液密度变化过程曲线；若两组密度变化过程曲线相近，即认为泥沙与同级配的玻璃微珠沉降过程相近，可以使用替换玻璃微珠与水进行两相流试验；若两组密度变化过程曲线差异较大，可使用其他液体替代水重新进行沉降试验并确定试验用流体（替代液体推荐使用糖的水溶液）。

2.       PIV系统测量前标定：在试验流体中放置标定板，运行PIV系统采集标定板图像，根据标定板图像确定采集图像几何尺寸，形成标定数据文件。

3.       流场测量：将试验流体与玻璃微珠均匀混合，运行试验，使用PIV系统进行流场测量，得到两相流内部流场。

为进一步实现本发明目的，所述两相流中固相玻璃微珠的质量浓度范围在2%以内。若玻璃微珠含量过高，其被激光照亮后形成的光斑将连成片，无法识别单个颗粒。

本发明所述的测量方法只适用于仅含有悬沙的水沙两相流，对于存在悬沙与床沙交换的水沙两相流是否适用并未验证。

本发明的有益结果是：本发明使用透光性好、与水折射率相近、与泥沙密度相近的玻璃微珠代替泥沙进行水沙两相流试验，大大提高了混合流体的透光性，使得PIV系统可以得到高质量的两相流内部图像（如图3），并据此得出流动速度场（如图4）。

附图说明

图1为使用PIV系统测量质量浓度为0.125%的水沙两相强迫涡流，左相机第一帧粒子图像；

图2为使用PIV系统分析得到的质量浓度为0.125%的水沙两相强迫涡流内部流动速度场（由于粒子图像质量很差，分析得到水沙两相流动速度场与实际速度场不符）；

图3为本发明使用PIV系统测量质量浓度为0.25%的水—玻璃微珠两相强迫涡流，左相机第一帧粒子图像；