[发明专利]一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置及实验方法

说明书

本发明公开了一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置和实验方法，包括由管路循环串联连接的储液箱、循环泵和喷口管组件，储液箱内装有混合实验颗粒的循环流体；喷口管组件包括进口段、加速段、喷口区、分析段和出口段，进口段与循环泵的管路连接，加速段的大端与进口段对接，小端为喷口区，喷口区同时接入分析段，并且分析段的管径大于喷口区的管径，在分析段形成剪切应力流场，分析段通过出口段与储液箱的管路连接，本发明设计采用可模拟产生不同程度剪切应力流场的喷口管组件模型，克服了现有对剪切应力流场中颗粒随流性分析测量的困难，结合PIV粒子图像测速技术，实现了剪切应力流场中颗粒随流性分析。

技术领域

本发明涉及一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置及实验方法，属于流体实验技术。

背景技术

剪切应力流场是一种由于流场中速度梯度过大而产生的特殊流动状态，其对流经的颗粒会产生较强的剪切应力破坏效应；特别是在人体的心脏瓣膜、血液导管和血液泵等血液输送环境中，流场中的剪切应力会导致流经的血红细胞颗粒发生破碎溶血，丧失为人体输送氧气的能力，从而危及生命。

因此，研究颗粒在剪切应力流场中的剪切破碎，对其在流场中的运动和受力进行分析，对于解决医学上的血管疾病具有重要的意义。

目前，通过计算流场中剪切应力大小和在对应力下的暴露时间，确定流场对流经颗粒的破坏程度，是国内外通用的研究手段。而通过流场中剪切应力确定颗粒受力，必须先确定颗粒在流场中的随流性状态；由于流场中剪切应力程度不同，颗粒本身特性不同，导致随流性的分析是目前的技术难点和盲点；现阶段大部分都是通过参考近似的理论计算，或直接忽略颗粒在流场中的随流性差别，从而导致难以得到足够可靠的实际受力分析结论。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前缺少对颗粒在不同流场中随流性状态的实验方案，提供一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置及实验方法，实现了对一系列不同程度剪切应力流场颗粒随流性的分析。

本发明采用如下技术方案实现：

一种分析剪切应力流场颗粒随流性的实验装置，包括喷口管组件1、储液箱5、循环泵7和PIV粒子图像测试系统12，其中，所述储液箱5、循环泵7和喷口管组件1由管路循环串联连接，所述储液箱5内装有混合实验颗粒的循环流体；

所述喷口管组件1包括进口段101、加速段102、喷口区103、分析段104和出口段105，所述进口段101与循环泵的管路连接，将循环流体平稳引入加速段102，所述加速段102为锥型变径管结构，所述加速段102的大端与进口段101对接，小端为喷口区103，所述喷口区103同时接入分析段104，并且分析段104的管径大于喷口区103的管径，经由加速段102加速后的流体从喷口区高速射入分析段104形成剪切应力流场，所述分析段104通过出口段105与储液箱的管路连接；

所述PIV粒子图像测试系统12的拍摄区域为经由加速段102、喷口区103后高速射入分析段104中形成的剪切应力流场区域。

进一步的，所述喷口管组件1置于折射率校正水箱2内，所述折射率校正水箱2的两侧壁分别与进口段101和出口段105之间密封固定；

所述折射率校正水箱2内填装有浸没喷口管组件的循环流体；

所述PIV粒子图像测试系统12固定设置在折射率校正水箱2外。

进一步的，所述喷口管组件1及折射率校正水箱2采用相同折射率的光学玻璃材料，所述循环流体采用折射率与上述光学玻璃接近的甘油水溶液。

进一步的，所述喷口管组件1的两端管道分别设有第一压力表3和第四压力表11，所述循环泵7的进口和出口分别设有第二压力表6和第三压力表8。

进一步的，所述喷口管组件1的进口管道上设有流量计9。