[发明专利]一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器

说明书

本发明公开了一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器。该粒子发生器的罐体的顶部固定有罐体上盖板，罐体上盖板上开有示踪粒子出口，底部固定有溶剂排出口，内装溶剂，溶剂液面上方固定有内部挡板，外壁固定有液位计。示踪粒子排出驱动管路伸入至罐体的上部、溶剂的液面上方；Laskin喷嘴管路以示踪粒子排出驱动管路为中心均匀分布，Laskin喷嘴管路伸入至罐体的下部浸入溶剂中并分布有Laskin喷嘴。Laskin喷嘴管路进气口与示踪粒子出口交错排列。示踪粒子排出驱动管路和Laskin喷嘴管路进气口外接中压气源。该示踪粒子发生器生成的示踪粒子的跟随性和光散射性较好，浓度合适，能够满足2米量级大型跨声速风洞的跨声速流场PIV测量试验需求。

技术领域

本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器。

背景技术

PIV技术是利用双脉冲激光照射到被测对象(比如风洞的气流)、在被测对象中撒播示踪粒子、获得连续2幅粒子图像、利用互相关算法得到粒子位移，从而最终得到示踪粒子速度。由于示踪粒子跟随被测对象运动，因此所测得的粒子速度也就可以认为是被测对象的速度(前提是粒子能够真实跟随被测对象)。PIV试验中，示踪粒子的跟随性、光散射特性和浓度对试验数据质量起决定性作用。

示踪粒子的跟随性和光散射特性主要取决于示踪粒子材料的密度和粒径，对于相同的示踪粒子材料，示踪粒子的粒径越小，跟随性就越好，数据可信度越高，但粒径太小会导致粒子亮度变差，影响原始图像的信噪比；相反，粒径越大，粒子亮度越高，图像信噪比越好，但跟随性会变差。在进行示踪粒子发生器设计时，必须根据实际应用需求，选择合适的示踪粒子制备方法，保证示踪粒子在跟随性和光散射性方面取得一个良好的平衡。

目前，PIV试验研究主要集中在低速风洞，相比高速风洞，低速风洞运行时间长，风速较低，示踪粒子发生和流量控制难度相对较低。高速风洞方面，主要集中在小尺寸研究性高速风洞，该类风洞试验段流量小，对示踪粒子发生量要求较低，市面上的小型商用粒子发生器即可满足粒子浓度需求。

随着飞行器研制需求的不断提高，越来越多的飞行器需要在大尺寸风洞中开展试验研究，大尺寸风洞的模型外形模拟更加真实，试验雷诺数高，更有利于还原飞行器真实流动状态。因此，在大型高速风洞中开展PIV试验研究的需求也越发迫切。

在大型高速风洞中开展PIV试验，还必须考虑示踪粒子材料对洞体的污染问题。高速流场中通常使用两类示踪粒子：一种是固态微粒，一种是液态微粒。固态微粒的优点在于粒径可控性好，粒径较小，具有良好的流动跟随性，同时光散射性极佳，图像信噪比很高。此外，固态微粒的物理特性也比较稳定可靠。固态微粒的缺点在于对风洞洞体的污染比较严重，跨声速风洞结构形式比较复杂，其试验段外面通常还有一个大尺寸的驻室，试验段与驻室气流相通，固态微粒不仅会附着在风洞内流道表面，还会通过开孔壁或者开槽壁进入驻室内部。驻室内部通常放置有大量精密测试仪器和装置，无法接受大量固态微粒的附着污染。此外，固态微粒被吸入风洞操作人员体内，也会对健康造成伤害。因此，只能考虑液态示踪粒子。液态示踪粒子有多种制备方法，其中包括Laskin喷嘴雾化方法、超声雾化方法等等。不同的制备方法采用的示踪粒子材料有所不同，产生的粒子粒径也有差别。通常，超声雾化产生的粒子粒径相对较大，其平均直径3μm～10μm之间，比较适合低速流场的PIV试验；采用Laskin喷嘴对油性液体进行雾化处理，将气流从直径为1mm的小孔中高速射入油性液体中，其剪切作用可产生大量直径1μm左右的液态微粒，微粒混合在气泡中浮出液体表面，由气流驱动进入风洞内部。根据相关文献的结论，直径为1μm左右的液态粒子非常适合作为高速流动PIV测试的示踪粒子，其气流跟随性和光散射性都相对比较均衡。

当前，亟需发展一种基于Laskin喷嘴的专用于大型高速风洞PIV试验的液态示踪粒子发生器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器。