[发明专利]PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置及方法

权利要求书

1.一种PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置，其特征在于：包括灰尘荷电系统和PIV测量系统，所述灰尘荷电系统包括灰尘喷枪(1)、金属支撑环(2)、第一高压直流电源(5)以及电晕线(3)，所述灰尘喷枪(1)的一端与所述金属支撑环(2)正对设置，所述第一高压直流电源(5)的正极与所述金属支撑环(2)连接，电晕线(3)平行且等间距的缠绕在金属支撑环(2)上，所述第一高压直流电源(5)的负极接地，所述第一高压直流电源(5)用于为电晕线(3)提供电源，通过灰尘喷枪(1)产生浓度均匀的灰尘环境，灰尘在气流的作用下通过电晕线(3)产生的空间离子层获得电量，实现灰尘的荷电过程；

所述PIV测量系统包括相互平行的上平板电极(4)和下平板电极(12)、第二高压直流电源(13)、计算机模块、相机(8)以及聚光透镜(6)，所述上平板电极(4)与下平板电极(12)的左端开口与所述金属支撑环(2)相对设置，所述第二高压直流电源(13)的正极与所述上平板电极(4)连接，所述第二高压直流电源(13)的负极与所述下平板电极(12)连接，所述第二高压直流电源(13)用于在所述上、下平板电极间形成垂直方向上的均匀空间场强E，所述计算机模块与所述相机(8)双向连接，所述聚光透镜(6)位于所述相机的视角内，所述聚光透镜(6)用于放大进入电场的带电灰尘的运动图像，所述相机(8)受控于所述计算机模块，在计算机模块的控制下对聚光透镜放大的图像进行采集，并将相机(8)采集的图像信息传送至所述计算机模块进行处理，通过对两次时间间隔t前后拍摄到的荷电灰尘图像进行互相关运算，得到荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度，再根据荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度计算得出荷电灰尘迁移率。

2.如权利要求1所述的PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置，其特征在于：所述计算机模块包括计算机(11)、外部触发器(9)、图像采集卡(10)以及激光控制器(7)，所述激光控制器(7)与所述外部触发器(9)的信号输入端连接，用于感应外部的触发信号，所述计算机(11)的输出端与所述外部触发器(9)的输入端连接，所述外部触发器(9)的输出端与所述相机(8)的控制端连接，所述相机(8)的信号输出端与所述图像采集卡(10)的信号输入端连接，所述图像采集卡(10)的信号输出端与所述计算机(11)的信号输入端连接。

3.如权利要求1所述的PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置，其特征在于：所述相机(8)为高速图像采集相机。

4.一种通过权利要求1-3中任意一项所述的装置对荷电灰尘进行测量的方法，其特征在于包括如下步骤：

通过灰尘喷枪(1)产生浓度均匀的灰尘环境，灰尘在气流的作用下通过电晕线(3)产生的空间离子层获得电量，实现灰尘的荷电过程；

在上、下平板电极(4，12)间施加与灰尘荷电系统中极性相同的电压，电压由高压直流电源产生，在上、下平板电极(4，12)间形成垂直方向上的均匀空间场强E；固定聚光透镜(6)的位置及相机拍摄图像的放大倍数M，通过计算机(11)控制激光控制器进而调整相机拍摄图像的时间间隔t；浓度均匀的荷电灰尘在气流的作用下旋入平行的上、下平板电极(4，12)，相机拍摄到两帧时间间隔t前后时刻由聚光透镜放大后的带电灰尘运动图像；计算两帧图像之间的相关系数，进而求取同一诊断区域内灰尘的Y轴方向速度矢量分布图；

对上平板电极(4)施加电压为U以及电压为0的电压，获得有、无电场力作用下的荷电灰尘的迁移速度，求荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度的平方差再开方即可得到仅在电场作用下的荷电灰尘迁移速度v：

其中：v′_{mig_E_field}为平行平板施加电压U时，即存在电场力时，灰尘在极板间运动的平均迁移速度的Y轴分量；

v′_{mig_no_E_field}为平行平板施加电压0时，即不存在电场力时，灰尘在极板间运动的平均迁移速度的Y轴分量；

荷电灰尘迁移率K计算公式为：

K＝v/E (2)

其中:E为平行平板电极施加电压U时板间电场强度，将式(1)的v代入式(2)即可得到荷电灰尘的粒子迁移率。