[发明专利]一种基于硫化锌的鼓风式冷却系统流场可视化方法

说明书

技术领域

本发明属于气流流场可视化领域，特别是一种基于硫化锌荧光反应的气流组织可视化方法，尤其是应用在鼓风式冷却系统中喷射气流的流场分析的可视化方法。

背景技术

鼓风式冷却技术是一种使用低温、高速空气来冷却物体的技术。高速流动的低温气流冲击被冷却物体时，减薄了物体表面的空气边界层，强化了对流换热，提高了冷却速率。鼓风式冷却装置的空气喷射气流流场是决定装置换热效率和能耗的关键因素。针对不同形状、不同大小的被冷却物体往往需要设计和调整气流流场，如采用不同的喷射形式（孔板式、喷嘴式等）以及各种结构参数（孔板喷口大小和开孔率、喷嘴大小等）。喷射系统的气流流场并不直观，而设计合理的气流流场的前提是能够实现气流流场的可视化，这也是鼓风式冷却装置在研发和设计过程中的关键问题。目前常用的流场可视化方法有氦气泡显示技术、散斑测速技术和粒子图象测速技术（PIV）等，但是这些技术国内还不具备，基本需要国外进口，而且使用的成本很高，从几十万到上百万不等，中小型企业和普通科研机构难以承受。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于硫化锌荧光反应的气流流场可视化方法，是一种利用CCD长时间曝光来记录硫化锌荧光轨迹，从而直观反映鼓风式冷却装置喷射气流流场的方法。

本发明的技术方案为：

一种基于硫化锌的鼓风式冷却系统流场可视化方法使用的装置包括空气冷却与输送系统、空气鼓风喷射系统和CCD图像采集系统；空气冷却与输送系统由空气冷却器、送风管、硫化锌粉末添加装置、回风管、高效过滤器组成；空气鼓风喷射系统由静压箱、送风孔板、喷射冷却区域和网带组成；CCD图像采集系统包括CCD相机和发光光源两部分；本方法实现的步骤为：

（1）打开发光光源；

（2）硫化锌粉末添加装置中加入粒径在5μm-20μm的硫化锌粉末；

（3）启动CCD相机。

硫化锌粉末的粒径为10μm。

发光光源发射出波长为340nm-480nm的光线。粉末受波长为340nm-480nm的光线激发，发生荧光反应，荧光被CCD相机记录下来形成光轨迹；此轨迹可以直观反映鼓风冷却设备的流线与流场分布。

发光光源发射出波长为400nm的光线。硫化锌荧光反应的激发光波长为400nm，根据硫化锌的光学性质，在该波长下的光的激发下硫化锌发生荧光反应，释放出可见的光致发光，被CCD相机记录下来。

拍摄流场时，CCD相机使用小光圈长曝光时间的处理方法。使用小光圈长曝光时间的数码相片来反映空气气流流场方法。每一个硫化锌颗粒跟随气流，在曝光时间内会移动一段距离，这一过程将会在CCD上留下一条清晰的光轨迹。这条轨迹能反应出硫化锌颗粒的运动轨迹，即是空气气流的流线，多条光轨迹即能反应出空气气流整体的运动情况，即能反映出流线和流场分布。

静压箱保证了空气气流喷射出口的均匀性。孔板的喷口大小和开孔率决定了喷射气流的流速和流量以及在喷射冷却区域的流场。

CCD是电荷耦合器件(charge coupled device)的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的CCD相机元件，以其构成的CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。

在送风管上设置了硫化锌添加装置，硫化锌为粉末状，颗粒为10μm，使得硫化锌粉末在空气中不易沉降，而是均匀的分布在空气中。硫化锌粉末的添加量可以调节，从而在流场可视化图像采集过程中调节荧光轨迹的疏密。在回风管上设置了高效过滤器，其目的是过滤空气并收集硫化锌颗粒，避免硫化锌颗粒进入空气冷却器，也避免了空气气流中过多的硫化锌颗粒对可视化造成干扰。

CCD图像采集系统包括发光光源和CCD相机两部分，发光光源所发射的光线波长为340nm-480nm，在这一波段光线照射下硫化锌的荧光反应最强烈。CCD相机具备小光圈和长曝光时间的功能，有利于清晰记录硫化锌颗粒的运动轨迹。硫化锌颗粒在光源的照射下发生了荧光反应，同时颗粒跟随气流在喷射冷却区域内运行，颗粒在CCD相机的曝光时间内会移动一段距离，曝光时间越长，颗粒的运动距离越长，CCD上留下一条光轨迹也越长。每一条光轨迹反应了一条气流流线，多条光轨迹即能反应出空气气流的流线和流场分布。

空气喷射冷却区域的面向CCD采集系统的一面是由透明材料组成，可以通过发光光源11的光线和硫化锌发出的荧光。