摘 要

粒子图像测速法，是目前研究流场的关键技术之一，在各种流体流动的研究中几乎都会被用到，不管是定常流动还是非定常流动、低速流动还是高速流动、单相流动还是多相流动，粒子图像测速技术都有应用。同时对于研究涡流、湍流等复杂的流场流动结构，粒子图像测速技术也能帮助研究。而示踪粒子是开展粒子图像测速实验所需的基本耗材。粒子图像测速系统通过拍摄被激光照亮的示踪粒子的图像，记录流体顺势运动特征，因此，符合实验要求的示踪粒子发生器是粒子图像测速实验所必不可少的。而示踪粒子发生和布撒质量，是粒子图像测速实验开展的基础，也是影响速度测量质量的关键因素。PIV技术在高速流体的测速中应用非常广泛,但是在低速小流量工况时，示踪粒子发生器的设计还很困难。本文设计了一种可用于小流量工况的新型示踪粒子发生器，通过创新的声速阀装置解决了固体示踪粒子颗粒低速时的团聚现象。同时本文还在现有的流化床示踪粒子发生器的基础上通过增加一系列的引流装置，使之能够产生适用于小流量工况的固体示踪粒子流。对于火焰流场中对冲火焰和coflow火焰的测量研究提供了很大的帮助。

关键词：粒子图像测速；示踪粒子发生器；火焰流场

Abstract

Particle image velocimetry (PIV) is one of the key techniques in the study of flow field. It can be used in almost all kinds of fluid flow studies. PIV has been applied to steady or unsteady flow, low-speed flow or high-speed flow, single-phase flow or multi-phase flow. At the same time, particle image velocimetry can also help to study the complex flow structure such as eddy current and turbulence. Tracer particles are the basic consumables for particle image velocimetry experiments. Particle image velocimetry system records the characteristics of fluid homeopathic motion by capturing the image of tracer particles illuminated by laser. Therefore, the tracer particle generator that meets the experimental requirements is indispensable for particle image velocimetry experiment. The generation and quality of tracer particles are the basis of particle image velocimetry experiment, and also the key factor affecting the quality of velocity measurement. PIV technology is widely used in velocity measurement of high-speed fluid, but it is difficult to design a tracer particle generator under low-speed and low-flow conditions. In this paper, a new type of tracer particle generator is designed, which can be used in low flow condition. The agglomeration phenomenon of solid tracer particles at low velocity is solved by innovative sonic valve device. At the same time, on the basis of the existing fluidized bed tracer particle generator, a series of drainage devices are added to make it possible to generate solid tracer particle flow suitable for small flow conditions. It is very helpful for the measurement of opposing flame and coflow flame in flame flow field.

Key words: PIV; tracer particle generator; flame flow field

目 录

目 录 5

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的 2

1.3国内外研究现状 2

1.4本文主要设计内容 3

1.4.1主要研究步骤 3

1.4.2主要章节概述 3

第2章 粒子图像测速技术的发展 4

2.1粒子图像测速技术的发展 4

2.1.1粒子图像测速技术的诞生 4

2.1.2粒子图像测速技术的研究现状 4

2.2粒子图像测速技术在火焰流场中的应用 4

2.3本章小结 5

第3章 新型示踪粒子发生器设计 6

3.1 设计背景 6

3.2粒子发生器主体设计 6

3.2.1 电刷容器设计 6

3.2.2旁路管线设计 7

3.3 直流电机设计 7

3.4声速阀设计 8

3.4.1 声速阀功能 8

3.4.2 声速阀设计 8

3.5 本章总结 9

第4章 对现有流化床粒子发生器的改进 10

4.1流化床装置的原理 10

4.2流化床示踪粒子发生装置设计 10

4.2.1 流量计的选择 11

4.2.2 流量阀门设计 12

4.2.3 真空泵的选择 12

4.3本章小结 12

第5章 总结 13

5.1本文的主要研究成果 13

5.2展望 13

参考文献 14

致 谢 16

附 录 16

第1章 绪论

1.1研究背景

在目前国内外汽车业中，由于环境污染和各国节能减排政策的原因，再加上新能源汽车技术的发展飞速，传统内燃机汽车大有被新能源汽车取代之势。但是内燃机作为汽车工业的基础，是所有移动机械的心脏。因此在未来，传统内燃机汽车将依然在汽车工业中占有重要的地位。而对于内燃机研究者来说，目前的当务之急是怎样在减少有害物质的排放的同时提升内燃机的热效率。而对于传统内燃机发展最为重要的就是对火焰流场的研究。近年来流场测量技术日新月异，尤其是激光测速技术在流场测速方面应用的快速发展，将复杂流场的准确测量变为可能。近20年来，粒子图像测速技术的逐步发展，对于流场的测量与研究具有非常大的帮助。

在流场测量方面，随着科技的发展，人们对于流场的认识也越来越深入，各种流场的复杂性不断提升，相应的，人们用来测量流场的技术也发生这翻天覆地的变化。1914年，热线风速仪[^[1]]被发明，这种经典的流场测速仪器直到今天依然被人们所用，其结构简单，操作方便，测量迅速的优点使之成为了应用最广的流场测速仪器。但是由于其测量方式为接触式测量，也就是测量时必须将仪器浸入到流场之中，所以必将会对所测量的流场产生干扰，这会使测量结果出现较大的误差。同时，热线风速仪作为一种比较简单的仪器，只能测量流场中单个点的流速，不能同时测量流场中多个点的速度，所以在现代复杂流场的测量中已经逐渐淘汰。为了研究更加复杂的流场，就必须要解决这一问题。于是人们发明了非接触式测速技术[^[2]]，其中比较实用的有相位多普勒风速仪[^[3]]和激光多普勒测速技术[^[4]]，相比于热线风速仪，它们的测量精度提高了一个数量级，分辨率也提高了许多。最重要的是，这些非接触式测量技术不用将测量仪器浸入到被测量流场之中，避免了仪器对流场的干扰。但是，这些仪器依然只能测量流场中单点的速度，并没有解决热线风速仪的另外一个缺点。为了能够在流场的研究使同时得到流场内多个不同位置的速度信息，粒子图像测速技术(PIV)应运而生。粒子图像测速技术为了能够得到流场的全场显示信息，将计算机图像处理技术和流动显示技术相结合。在这之后，得益于计算机技术的发展，研究人员能够通过粒子图像测速技术在一个截面上测得几千甚至上万个流场内部速度矢量。这些得天独厚的优势让粒子图像测速技术目前在复杂流场的测量中拥有极高的地位。

1.2研究目的

在内燃机燃烧的研究中，对于碳烟的生成一直是研究的重点之一。而对冲火焰因为其火焰流场为准一维，结构与其他火焰相比更加简单，因此多被用来研究火焰中碳烟的生成机理。但是，对冲火焰的形成非常依赖于火焰流场的稳定，在对冲火焰中使用粒子图像测速技术时，会遇到因为示踪粒子流流量过大而破坏火焰流场的情况。因此，如何在保证示踪粒子流生成和布撒符合粒子图像测速法技术要求的情况之下，尽量减小示踪粒子流的流量成为了目前对冲火焰研究的重要问题之一。本文为解决这一问题，让粒子图像测速法这一目前在流体测量领域最为方便精确的测量方法能够用于对冲火焰的研究之中，设计了一种适用于小流量工况的新型示踪粒子发生器。同时在现有流化床示踪粒子发生器的基础上，通过增加一套引流装置，将出口流量减小到不影响对冲火焰流场的程度。

1.3国内外研究现状

目前，由于流场测量在各学科的科学研究中都非常重要。所以不管是国外还是国内都对粒子图像测速技术非常重视。