[发明专利]固着液滴的内部三维瞬态速度场获取方法

权利要求书

1.固着液滴的内部三维瞬态速度场的观测装置，其特征在于，在激光器的发出端依次设置凸透镜、柱面镜和反射镜，反射镜与水平方向成45度角；在反射镜上方设置透明基底和加热板，透明基底和加热板彼此接触，透明基底和热电偶相连，加热板与温控仪相连，热电偶和温控仪相连，通过热电偶—温控仪—加热板的控制以实现加热板对透明基底温度的控制；

在透明基底的上表面设置待测液滴，透明基底的下表面设置直角棱镜，在直角棱镜的斜下方设置滤光片和相机，调整相机镜头和机身的角度，以使镜头所在平面、相机传感器平面与待测液滴的纵截面相交于一条直线，同时使激光诱导液滴内部荧光粒子产生的荧光近似垂直入射到相机镜头，相机的成像数据输送给数据处理设备；

驱动装置，与透明基底相连，使透明基底和位于透明基底上的待测液滴一起进行往返的周期性运动，在这个周期性运动中，将激光面进行固定不动，激光面实现从液滴中心到液滴一侧边缘，再到液滴中心，再到液滴另一侧边缘的周期运动，借助相机记录液滴蒸发过程中不同截面的流场情况，相机的成像数据输送给数据处理设备。

2.根据权利要求1所述的固着液滴的内部三维瞬态速度场的观测装置，其特征在于，凸透镜的数量为两个；柱面镜的数量为两个。

3.根据权利要求1所述的固着液滴的内部三维瞬态速度场的观测装置，其特征在于，数据处理设备为计算机。

4.根据权利要求1所述的固着液滴的内部三维瞬态速度场的观测装置，其特征在于，驱动装置为步进电机。

5.如权利要求1—4之一所述的观测装置在观测液滴中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，实现固着液滴的内部全流场可视化和液滴内部不同纵截面速度场的获取。

7.固着液滴的内部三维瞬态速度场获取方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤1，利用观测装置对固着液滴进行实时观测；

激光器发出的点光源先经过凸透镜，获得较大的光斑，达到扩束的目的，接着再通过柱面镜，使光束在水平方向上宽度不变，在竖直方向上产生汇聚，形成一束平行片光，经过一个与水平方向成45度的平面反射镜的反射之后转为竖直方向，透过水平放置在铜加热板上面的透明基底后进入液滴内部，照亮拟测量的液滴纵截面区域；铜加热板的温度由热电偶反馈给温控仪来进行控制；调整镜头平面与相机传感器平面的夹角直至二平面与液滴纵截面交于一条直线并能够清晰对焦；液滴中粒子的荧光从液滴底部经由透明基底、直角棱镜和滤光片，通过镜头到达相机的成像传感器，在驱动装置作用下，透明基底和位于透明基底上的液滴一起进行往返的周期性运动，在这个周期性运动中，将激光面进行固定不动，激光面实现从液滴中心到液滴一侧边缘，再到液滴中心，再到液滴另一侧边缘的周期运动，借助相机记录液滴蒸发过程中不同截面的流场情况，实现对液滴空间三维速度场的反复扫描测量；

步骤2，将观测装置得到的图片数据在基于互相关算法的PIV程序上进行处理之后，再通过坐标变换和速度变换以得到全面真实的液滴内部截面二维流场；

具体地说，对于任意一点P，假定其原始坐标为(x,y)，真实坐标为(x',y')，则P点的真实横坐标如下：

其中，k_x为沿OQ方向的比例系数，α为斜边和竖直方向的夹角；

P点的真实纵坐标如下：

y'＝by+cy²

其中，b、c为二次函数的系数；

对于P点的原始速度(u,v)和真实速度(u',v')之间的关系，假设(x,y)为当前时刻的原始坐标，(x+ut,y+vt)为下一时刻的原始坐标，根据对坐标的变换关系式得到当前时刻的真实坐标(x',y')和下一时刻的真实坐标(x'+u't,y'+v't)，两者之间的距离与时间的比值即为P点的真实速度：

步骤3，基于不可压缩流体的连续性方程，对于坐标与速度变换后得到的不同截面的二维速度场结果，通过插值方法计算得到任意时刻的速度场，在此基础上进行计算得出第三个方向的速度分量，得出u、v、w在x、y、z三维坐标系中的分布，进而获得相应的三维瞬态速度场。