一种水溶液流场测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，特别是涉及一种水溶液流场测量装置及方法。

背景技术

水及各种水溶液在流场内各处的流向，是各种流体流场控制所需的重要测量项目。目前，现有的测量方法有两种，一种是采用螺旋桨式流向仪进行测量，另一种是采用示踪剂及示踪粒子进行测量。螺旋桨式流向仪因其本身体积较大，所以只能测量较大区域水溶液的流动特征，并且存在着测量流场流线比较困难问题。采用加入高锰酸钾等示踪剂配合摄像仪测量方法，由于示踪剂在流场中本身会扩散，故易导致流场测量失准；而示踪粒子则存在示踪粒子大面积分布于流场内，在观察时易于出现干扰视场问题，因此，如何准确测量水溶液流场的流向流速，尤其是水溶液在流场内微区的流动特征是行业亟需解决的问题。

发明内容

为克服现有技术缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种水溶液流场测量装置及方法，结构简单，操作简便，可准确测量水或水溶液在流场的速度、方向和流线，尤其是能够实现流场的微区示踪，以精确观测流场和流线。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种水溶液流场测量装置，包括注管、升降管、定位车、Y向轨道、导液管、X向轨道、注射泵控制器、贮液桶、水箱、轨道支架和遥控器，其特征在于，所述X向轨道为两根，平行设置，两端由轨道支架支撑连接；所述Y向轨道为两根，平行设置位于X向轨道上并与X向轨道滚动连接；所述定位车设置于Y向轨道上并与Y向轨道滚动连接；所述注管上端与升降管通过变径接头连接并密封、下端探入设置在X向轨道正下方的水箱内，升降管垂直穿过定位车并与定位车滑动连接；所述导液管一端与升降管连接、另一端与注射泵控制器连接；所述注射泵控制器设置在X向轨道最右端的平台上，注射泵控制器上设有上部是敞口的贮液桶；

所述定位车上设有接收天线、X伺服电机、Y伺服电机和Z伺服电机，其中X伺服电机可驱动定位车沿X向轨道往复运动，Y伺服电机可驱动定位车沿Y向轨道往复运动，Z伺服电机可驱动升降管沿Z向上下往复运动，接收天线受遥控器控制；即定位车由接收天线接收遥控器发射的控制信号，分别控制X伺服电机、Y伺服电机、Z伺服电机转动，带动定位车沿X、Y向移动，或带动升降管沿Z向移动，实现注管端部在被测流场中的精确定位；

所述注射泵控制器上设有注射泵控制器接收天线，受遥控器控制，可将贮液桶内的流场示踪液定量定速地推入导液管，再经过升降管和注管导入流场。

所述注管材质是不锈钢、玻璃、石英、高分子材料等的一种，内径为0.15～5.0mm，壁厚为0.15～5.0mm。

所述升降管材质是不锈钢、玻璃、石英、高分子材料等的一种，内径为0.5～15.0mm，壁厚为0.5～10.0mm。

所述导液管为橡胶材质的软管。

一种水溶液流场测量方法，包括以下步骤：

1)制备示踪粒子：选取不溶于水或水溶液的微米级的有色空心玻璃微珠颗粒，用800目和2000目筛网筛选出粒径范围为6.5～18微米部分，以实验模型用水或水溶液为浮选液，采用浮选法选出密度相同和十分接近部分作为示踪粒子；

2)标定流场坐标：通过遥控器遥控定位车在X、Y、Z向的方位，将注管的端部置于流场中的测量点位；

3)向贮液桶加入水或水溶液及示踪粒子，搅动使其混合均匀构成示踪液；

4)遥控器遥控注射泵控制器，根据估算的流场测试点的流速，以特定流量注入适量示踪液，观察有色示踪粒子显示的流线，其中示踪液从注管端部流出的速度小于测试点流场溶液流速的25％，以保证进入流场的示踪粒子短时间内在流场溶液的制动或驱动作用下，与流场溶液的速度达到相同；

5)注入示踪液的同时开始对流场摄像，留取影像，绘制流场图。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)该发明装置，可准确测量水或水溶液在流场的速度、方向和流线；

2)该发明装置，能够实现流场的微区示踪，以精确观测流场和流线；

3)该发明装置结构简单，操作简便。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图中：1-注管2-升降管3-定位车4-Y向轨道5-导液管6-X向轨道7-注射泵控制器8-贮液桶9-注射泵控制器接收天线10-水箱11-示踪粒子12-轨道支架13-遥控器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1所示，本发明涉及的一种水溶液流场测量装置，包括注管1、升降管2、定位车3、Y向轨道4、导液管5、X向轨道6、注射泵控制器7、贮液桶8、水箱10、轨道支架12和遥控器13，所述X向轨道6为两根，平行设置，两端由轨道支架12支撑连接；所述Y向轨道4为两根，平行设置位于X向轨道6上并与X向轨道6滚动连接；所述定位车3设置于Y向轨道4上并与Y向轨道4滚动连接；所述注管1上端与升降管2通过变径接头连接并密封、下端探入设置在X向轨道6正下方的水箱(流场)内，升降管2垂直穿过定位车3并与定位车3滑动连接；所述导液管5一端与升降管2连接、另一端与注射泵控制器7连接；所述注射泵控制器7设置在X向轨道6最右端的平台上，注射泵控制器7上设有上部是敞口的贮液桶8；

所述定位车3上设有接收天线、X伺服电机、Y伺服电机和Z伺服电机，其中X伺服电机可驱动定位车3沿X向轨道往复运动，Y伺服电机可驱动定位车3沿Y向轨道往复运动，Z伺服电机可驱动升降管2沿Z向上下往复运动，接收天线受遥控器13控制；即定位车3由接收天线接收遥控器13发射的控制信号，分别控制X伺服电机、Y伺服电机、Z伺服电机转动，带动定位车3沿X、Y向移动，或带动升降管2沿Z向移动，实现注管1端部在被测流场中的精确定位；

所述注射泵控制器7上设有注射泵控制器接收天线9，受遥控器13控制，可将贮液桶8内的流场示踪液定量定速地推入导液管5，再经过升降管2和注管1导入流场。

所述注管1材质是不锈钢、玻璃、石英、高分子材料等的一种，内径为0.15～5.0mm，壁厚为0.15～5.0mm。

所述升降管2材质是不锈钢、玻璃、石英、高分子材料等的一种，内径为0.5～15.0mm，壁厚为0.5～10.0mm。

所述导液管5为橡胶材质的软管。

一种水溶液流场测量方法，包括以下步骤：

1)制备示踪粒子：选取不溶于水或水溶液的微米级的有色空心玻璃微珠颗粒，用800目和2000目筛网筛选出粒径范围为6.5～18微米部分，以实验模型用水或水溶液为浮选液，采用浮选法选出密度相同和十分接近部分作为示踪粒子11；

2)标定流场坐标：通过遥控器13遥控定位车3在X、Y、Z向的方位，将注管1的端部置于流场(水箱10)中的测量点位；

3)向贮液桶8加入水或水溶液及示踪粒子11，搅动使其混合均匀构成示踪液；

4)遥控器13遥控注射泵控制器7，根据估算的流场测试点的流速，以特定流量注入适量示踪液，观察有色示踪粒子显示的流线，其中示踪液从注管1端部流出的速度小于测试点流场溶液流速的25％，以保证进入流场的示踪粒子短时间内在流场溶液的制动或驱动作用下，与流场溶液的速度达到相同；

5)注入示踪液的同时开始对流场摄像，留取影像，绘制流场图即可。

【实施例1】

复吹转炉冶炼钢液水力模型(比例：6:1)实验过程中，测绘底吹砖正上方至液面的流场：

1.制备“水流场示踪粒子”：购置红色空心玻璃微珠，用800目和2000目筛网筛选，筛后粒径范围为6.5～18微米，以实验模型用水为浮选液，采用浮选法选出密度相同和十分接近的部分作为示踪粒子11；

2.定做各构件和仪表，按图1所示组装构成该发明装置，其中注管1为内径为0.3mm的不锈钢管，壁厚0.5mm，升降管2为内径为4.0mm的不锈钢管，壁厚1.0mm；

3.将被测的转炉冶炼钢液水力模型(相当于水箱10)置于X向轨道6的正下方；

4.标定流场坐标，以液面所在水平面的圆心为坐标原点，X向轨道6所在方向为X轴，Y向轨道(X向走行轮轴)4所在方向为Y轴；

5.通过遥控定位车3，将注管1的端部置于流场中的测量点位，第一次定位在底吹砖正上方3㎜处；

6.向贮液桶8加入实验模型用水及示踪粒子11，搅动使其混合构成示踪液；

7.遥控注射泵控制器7，以0.1ml/s的流量向流场中注入流场示踪液，进入流场的示踪粒子在0.2秒的时间内，与流场溶液的速度达到相同，观察到红色示踪粒子显示的流线；

8.注射的同时开始对流场摄像，留取影像；

9.依此，在Z向每隔3mm进行示踪操作，最终测绘出底吹砖正上方至液面的流场流线。

所测得的流场边界清晰，流速、流向均精确反应。

【实施例2】

水库水力模型(比例：200:1)实验过程中测量上游来水冲击大坝后的折返角度：

1.制备“水流场示踪粒子”：购置黄色空心玻璃微珠，用800目和2000目筛网筛选，筛后粒径范围为6.5～18微米，以实验模型用水为浮选液，采用浮选法选出密度十分接近的部分作为示踪粒子11；

2.定做各构件和仪表，按图1所示组装构成该发明装置，其中注管1为内径为0.5mm的不锈钢管，壁厚0.5mm，升降管2为内径为8.0mm的不锈钢管，壁厚1.5mm；

3.将被测的水库水力模型置于轨道正下方；

4.标定流场坐标，以液面所在水平面与大坝中线的交点为坐标原点，X向轨道6所在方向为X轴，Y向轨道(X向走行轮轴)4所在方向为Y轴；

5.通过遥控定位车3，将注管1的端部置于流场中的第一次测量点位，即坐标原点；

6.向贮液桶8加入水或水溶液及示踪粒子11，搅动使其混合构成示踪液；

7.遥控注射泵控制器7，以0.15ml/s的流量向流场中注入流场示踪液，进入流场的示踪粒子在0.15秒的时间内，与流场溶液的速度达到相同。观察到红色示踪粒子显示的流线；

8.注射的同时开始对流场摄像，留取影像；

9.依此，在各测量点进行示踪操作，最终测绘出底吹砖正上方至液面的流场。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。