一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置

摘要

本发明涉及的是一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，属于实验装置领域，主要包括复合粒子搅拌仓、粒子投放伸缩管道、压力泵组及支撑架；两台粒子投放伸缩管道安装在支撑架上可水平移动，并通过两台排水压力泵与粒子搅拌仓出水口相连；通过抽水压力泵由入水口将池水泵入复合粒子搅拌仓，加入适量的示踪粒子后经过二次搅拌均匀后经由粒子投放伸缩管道送至下方空心桨叶处，由拖车运动致使空心桨叶转动，均匀排出示踪粒子，可根据特定试验要求控制粒子排放位置与浓度。

权利要求

1.一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，其特征在于：包括复合粒子搅拌仓、粒子投放伸缩管道(4)、压力泵组以及支撑架(3)，其中：复合粒子搅拌仓包括：预搅拌仓(2)、主搅拌仓(1)、水箱支架(7)、搅拌电机(9)和搅拌棒，两搅拌仓之间通过带搅拌仓连接阀(11)的管道相连，预搅拌仓上方设有预搅拌仓入水口(14)、粒子投放窗口(10)，主搅拌仓下方设有排水阀(13)及管接头，管接头与分支排水管(12)连接，预搅拌仓上方连接第一搅拌电机，主搅拌仓上方连第二接搅拌电机，搅拌电机输出轴进入预搅拌仓和主搅拌仓内部与搅拌器连接；

粒子投放伸缩管道包括：空心多级套筒形活塞杆(4c)、伸缩水管、空心桨叶型排水器(4e)、电机，伸缩水管置于活塞杆内部，一端有软管连接口(4h)，另一端与活塞杆最下方固定，同时与桨叶型排水器水密连接；活塞杆内部放置标尺钢索(4g)并将标尺钢索一端固定在底部，另一端由钢索转向滑轮组(4f)传至钢索收放电机(4b)，控制钢索收放；空心多级套筒形活塞杆上部和下部连接支撑滑块(4d)，其中上部的支撑滑块还连接有水平位移电机(4a)；

压力泵组包括排水压力泵(5)和抽水压力泵(6)，排水压力泵将主搅拌仓分支排水管与粒子投放伸缩管道相连，抽水压力泵将池水与预搅拌仓入水口相连；

支撑架包括铝型架(3a)、固定角铁(3b)和滑轨(3c)，支撑架固定在拖车上，粒子投放伸缩管道通过支撑滑块与支撑架滑轨连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，其特征在于：所述的预搅拌仓为全透明水密仓，内置电机搅拌器与第一搅拌电机连接，其搅拌面由液面以上延伸至仓底，搅拌电机可正反转交替进行。

3.根据权利要求1所述的一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，其特征在于：所述的主搅拌仓上方设置有通气阀(8)，内置双轴电机搅拌器，双轴电机搅拌器包括：双轴搅拌棒顶固定座(15a)，电机转轴连接轴(15b)，横杆固定座(15c)，搅拌叶(15d)，双轴搅拌棒底固定座(15e)，其中搅拌叶上开有紊流孔(15f)，电机转轴连接轴与第二搅拌电机连接，其搅拌面由液面延伸至仓底，箱体底部向中心排水口有一定斜度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，其特征在于：所述的粒子投放伸缩管道为两组以上，在支撑架滑轨上可由电机控制独立水平运动。

5.根据权利要求1所述的一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，其特征在于：所述的空心桨叶型排水器每片叶面上有排水孔(4i)，且其与粒子投放伸缩管道底端的连接处可自由旋转。

6.根据权利要求1所述的一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，其特征在于：所述的标尺钢索上带有清晰长度标尺。

说明书

一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，属于实验装置领域。

背景技术

[0002] 在拖曳水池中进行PIV(Particle Image Velocimetry)实验时，需要在水中布撒一定浓度的示踪粒子来进行试验数据的测量，同时对粒子播撒质量有着极高的要求，这便
需要一种可以提供高粒子布撒效果的粒子布撒装置。

[0003] 现有的拖曳水池示踪粒子播撒装置存在诸多技术缺陷及不足：

[0004] 1.实际操作过程繁琐，在箱体内注入粒子时需先将粒子与水人工搅拌均匀再导入箱体内，操作过程容易出现液体飞溅，在电气设备密度较大的拖车上该操作存在安全隐患。

[0005] 2.粒子的搅拌仓内多为单轴搅拌器，其产生湍流脉动的能力有限，无法很均匀的使示踪粒子与水混合，在粒子布撒过程中存在示踪粒子结块排出的现象，降低示踪粒子的
利用率。

[0006] 3.粒子的播撒主要通过固定播撒管的固定孔洞来在水池中排出粒子溶液的，播撒效果不均匀，粒子播撒宽度范围较大，存在大量的粒子溶液浪费，使粒子溶液需要更频繁的
补充，增加了试验的工作成本。

[0007] 4.播撒深度调节主要依靠丝杠来实现上下运动，可移动的范围受丝杠长度的限制，而丝杠的安装长度则受建筑高度和结构强度的制约，对粒子布撒深度需求较高的试验，
如水下航行器流场的PIV测量，其播撒深度是远远不足的。

[0008] 针对上述的技术缺陷和不足，亟需一种更加优秀的拖曳水池示踪粒子播撒装置。

发明内容

[0009] 本发明提供了一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，目的在于将本发明适用于各种拖曳水池中基于PIV技术的模型流场测量试验。

[0010] 本发明技术方案如下：

[0011] 一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，主要包括复合粒子搅拌仓、粒子投放伸缩管道4、压力泵组以及支撑架3，其中：

[0012] 复合粒子搅拌仓包括：预搅拌仓2、主搅拌仓1、水箱支架7、搅拌电机9和搅拌棒，两搅拌仓之间通过带搅拌仓连接阀11的管道相连，预搅拌舱上方设有预搅拌舱入水口14、粒
子投放窗口10，主搅拌仓下方设有排水阀13及管接头，管接头与分支排水管12连接，预搅拌
仓上方连接第一搅拌电机和主搅拌仓上方连第二接搅拌电机，搅拌电机输出轴进入预搅拌
仓和主搅拌仓内部与搅拌器连接；

[0013] 粒子投放伸缩管道包括：空心多级套筒形活塞杆4c、伸缩水管、空心桨叶型排水器4e、电机，伸缩水管置于活塞杆内部，一端有软管连接口4h，另一端与活塞杆最下方固定，同
时与桨叶型排水器水密连接；活塞杆内部放置标尺钢索4g并将标尺钢索一端固定在底部，
另一端由钢索转向滑轮组4f传至钢索收放电机4b，控制钢索收放；空心多级套筒形活塞杆
上部和下部连接支撑滑块4d，其中上部的支撑滑块还连接有水平位移电机4a；

[0014] 压力泵组包括排水压力泵5和抽水压力泵6，排水压力泵将主搅拌仓分支排水管与粒子投放伸缩管道相连，抽水压力泵将池水与预搅拌仓入水口相连；

[0015] 支撑架包括铝型架3a、固定角铁3b和滑轨3c，支撑架固定在拖车上，粒子投放伸缩管道通过支撑滑块与支撑架滑轨连接。

[0016] 本发明还具有以下特征：

[0017] 预搅拌仓为全透明水密仓，内置电机搅拌器与第一搅拌电机连接，其搅拌面由液面以上延伸至仓底，搅拌电机可正反转交替进行；

[0018] 主搅拌仓上方设置有通气阀8，内置双轴电机搅拌器，双轴电机搅拌器包括：双轴搅拌棒顶固定座15a，电机转轴连接轴15b，横杆固定座15c，搅拌叶15d，双轴搅拌棒底固定
座15e，其中搅拌叶上开有紊流孔15f，电机转轴连接轴与第二搅拌电机连接，其搅拌面由液
面延伸至仓底，箱体底部向中心排水口有一定斜度。

[0019] 粒子投放伸缩管道为两组或以上，在支撑架滑轨上可由电机控制独立水平运动。

[0020] 空心多级套筒形活塞杆有一定自重，可以在自由状态下由重力垂直向下延伸。

[0021] 空心多级套筒形活塞杆内部标尺钢索上带有清晰长度标尺。

[0022] 空心桨叶型排水器每片叶面上有排水孔4i，且其与粒子投放伸缩管道底端的连接处可自由旋转。

[0023] 两台排水压力泵的排水流量可自由控制。

[0024] 本发明提供的一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置其优点在于：

[0025] 1.预搅拌仓的设置避免了现有粒子布撒装置使用时需要自行手动搅拌示踪粒子溶液的繁琐操作步骤，全透明的预搅拌仓除了可以观察粒子预搅拌是否均匀外，还可在预
搅拌结束后的注水过程观察注水水位，使整个过程更安全方便。示踪粒子粉末常会结团漂
浮在液体表面，预搅拌仓内空间较狭小，搅拌面由液面以上延伸至仓底，搅拌电机正传反转
交替进行，可以将液面示踪粒子结团打散，做到完全初步搅拌均匀。主搅拌仓空间较宽大，
内为双轴同向搅拌装置，由单电机带动双搅拌杆搅拌，使搅拌范围更大，效果更好。

[0026] 2.粒子投放伸缩管道的多级套筒形活塞杆的设计在理论上可以满足任意布撒深度要求，且结构简单，占地空间小，伸缩水管置于活塞杆内部，同时与桨叶型排水器水密连
接，现有伸缩水管的伸缩比可达1:3，可满足正常情况下较大的粒子布撒深度，活塞杆通过
标尺钢索与电机连接，电机的转动和其自身重量控制其升降，而其钢索上的刻度尺可以满
足对粒子布撒深度的准确控制。

[0027] 3.压力泵组包括排水压力泵和抽水压力泵，排水压力泵将主搅拌仓排水管与粒子投放伸缩管道相连，且排水流量可人工控制，使粒子布撒的流量固定，满足特定试验对不同
粒子浓度的要求，且不会存在水箱水位不足导致的流量减小，粒子浓度降低等问题；抽水压
力泵将池水与预搅拌仓入水口相连，使搅拌仓内的水位控制更方便。

[0028] 4.支撑架固定在拖车上，两组或以上粒子投放伸缩管道固定在支撑架滑轨上，且可以由电机控制水平移动，满足试验对粒子布撒不同宽度范围的要求，且两组相距较近时
可以作为增加粒子浓度的手段，随拖车移动播撒粒子时，由于水流作用，空心桨叶型排水器
会自行旋转，在预定轨道均匀布撒示踪粒子并达到小幅搅动效果，使粒子的播撒更均匀。

附图说明

[0029] 图1为适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置的总体结构图；

[0030] 图2为复合粒子搅拌仓及压力泵组结构图；

[0031] 图3为复合粒子搅拌仓细节图；

[0032] 图4为粒子投放伸缩管道结构图；

[0033] 图5为粒子投放伸缩管道与支撑架连接处滑块局部放大图；

[0034] 图6为粒子投放伸缩管道空心桨叶型排水器细节图；

[0035] 图7为支撑架结构图；

[0036] 图8为预搅拌仓内单轴搅拌棒细节图；

[0037] 图9为主搅拌仓内双轴同向搅拌棒细节图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：

[0039] 本发明提供的是一种适用于拖曳水池PIV系统的自动化粒子布撒装置，主要包括复合粒子搅拌仓、粒子投放伸缩管道、压力泵组及支撑架；两台粒子投放伸缩管道安装在支
撑架上可水平移动，并通过两台排水压力泵与粒子搅拌仓出水口相连；通过抽水压力泵由
入水口将池水泵入复合粒子搅拌仓，加入适量的示踪粒子后经过二次搅拌均匀后经由粒子
投放伸缩管道送至下方空心桨叶处，由拖车运动致使空心桨叶转动，均匀排出示踪粒子，可
根据特定试验要求控制粒子排放位置与浓度。

[0040] 参照图1-9，本发明采用如下具体实施方式：首先是设备的安装：将粒子投放伸缩管道安装到支撑架的滑轨上，再将支撑架以及复合粒子搅拌仓吊装到拖曳水池拖车合适位
置并通过角钢、螺钉等连接件固定，避免设备发生偏移。连接抽水压力泵出水口至预搅拌仓
入水口处。并利用排水压力泵将主搅拌仓分支排水管与粒子投放伸缩管道软管相连，按照
试验要求调整好两套粒子投放伸缩管道位置并固定，保证所有的连接阀门处于关闭状态，
完成整套装置的安装工作。

[0041] 安装完成后，通过粒子投放窗口向预搅拌仓内倒入适量粒子，将抽水压力泵进水口放入水池中，打开抽水压力泵抽水，待预搅拌舱内水位适量后断开电源，同时打开预搅拌
仓搅拌电机开始搅拌。通过预搅拌仓透明壁面观察搅拌程度，待预搅拌均匀后打开搅拌仓
连接阀让初步搅拌的粒子溶液进入主搅拌仓；打开主搅拌仓通气阀门，平衡仓内气压；打开
抽水压力泵开始注水，可通过预搅拌仓透明壁面观察注水情况；同时，接通主搅拌仓搅拌电
机电源，在主搅拌仓内有粒子溶液的情况下，主搅拌电机保持常开状态，可根据仓内蓄水量
调整电机功率；待注水量核实后关闭抽水压力泵，将抽水压力泵进水口从水池中拿出。

[0042] 根据实验需求计算粒子播撒深度，利用钢索收放电机放松钢索使粒子投放伸缩管道投放端下沉，观察钢索上标尺，到合适位置关闭并固定收放电机，投放端到达指定位置；

[0043] 打开主搅拌仓下排水阀，打开两台排水压力泵，调至合适排水功率，同时拖车启动，按合适速度前进，此时粒子投放端空心桨叶型排水器开始自行旋转并投放粒子溶液，待
拖车行进至测试流场尽头，完成粒子溶液的投放；随后关闭压力泵，关闭排水阀，控制钢索
收放电机回收钢索，将粒子投放端提出水面。可根据试验要求进行多次投放过程。

[0044] 试验完成无需再进行粒子布撒时，按设备安装时相反的顺序拆解粒子投放设备，保证设备内没有残余溶液，用防尘罩遮盖放置于干燥处。