[发明专利]有限通道条件下流动控制技术对流场作用的实验测试装置

说明书

一种有限通道条件下流动控制技术对流场作用的实验测试装置，包括依次连接并构成流体流动区域的收缩段、整流段、可替换测试段和尾段；收缩段采用扩张变径的结构，内径随流向增大；整流段内设有整流装置；可替换测试段两端通过快拆法兰分别与整流段、尾段连接；可替换测试段上部设有CCD相机，对实验进行可视化拍摄；可替换测试段包括可调壁面、钝体、分隔板和快拆板，可调壁面设置在可替换测试段内的底部两侧，调节可调壁面的安放位置可改变可替换测试段宽度参数；钝体和分隔板安置在快拆板上，通过快拆板与可替换测试段的可拆卸连接，将钝体和分隔板放置在流道内。本发明具有拆卸维护简单、调整结构参数容易、实验效率高和实验结果准确等优点。

技术领域

本发明属于流体流动测试装置，具体涉及一种有限通道条件下流动控制技术对流场作用的实验测试装置。

背景技术

钝体绕流是一个重要且经典的流体力学问题，其流动过程涉及旋涡脱落、流动分离等流动现象，许多流动机理尚未被充分认识清楚。钝体绕流现象在各种行业中均有发生，例如在化工能源领域中利用钝体绕流现象强化换热或增加传质速率，在测量仪表行业中利用钝体绕流现象测量流体流速，在桥梁工程中必须考虑钝体绕流所引发的桥梁振动问题，由此可见研究钝体绕流中的流动机理具有明显的社会经济价值。在目前的钝体绕流研究中，不少研究者提出施加流动控制技术来控制钝体尾迹区的流场分布或改变钝体的阻力系数，常见流动控制技术方案有：在钝体尾迹区添置物体(如分隔板、控制棒和空心网等)或在钝体尾迹区增加扰动(如射流和旋转钝体等)。

目前，流动控制技术对钝体绕流作用的研究主要集中在非有限通道条件下，即不考虑通道壁面对钝体尾迹区的影响作用。但是，根据Blackburn和Reyes等人的研究，发现在有限通道条件下通道壁面对钝体尾迹区有着显著影响，导致钝体的阻力系数和旋涡脱落频率发生改变，还会引起尾迹区出现回流现象。在工程领域中，许多钝体绕流现象应当考虑通道壁面对流体流动过程的影响，例如存储行业中机械硬盘的悬臂梁磁头、制氢行业中的压滤式电解槽的电解单元和过程工业中的管式换热器的换热管等。目前，针对有限通道条件下的流动控制技术对钝体绕流作用的研究相对较少。又因为钝体绕流是一种非线性的湍流流动，尚不能通过数学解析的方式获得钝体尾迹区的流动分布，需要通过实验和数值模拟的方法，而因测试条件和测试手段的限制。关于有限通道条件下的流动控制技术对钝体绕流作用的流场可视化实验更是有限，目前主要的问题有：

1.有限通道的通道宽度是一个重要参数，通过实验的方法来考察通道宽度对钝体尾迹区流场结构的影响时，需要不断改变通道宽度即加工多组流体通道，这会给实验过程造成不少的困难。

2.流动控制技术的方式多种多样，再结合不同的通道宽度参数，两种因素叠加在一起具有多种组合，一般的测试装置难以满足上述要求。

3.在实验过程中进行可视化拍摄时，非拍摄区域的反光问题会严重影响CCD相机的成像效果，最终影响被测流场结果的准确性。

因此，为了能研究有限通道条件下钝体绕流的机理问题，增加流动控制技术在有限通道条件下对钝体尾迹区影响的认识，需要设计一种能够获得多种流动控制技术在有限通道条件下流场结构分布的流体流动实验测试装置，这对研究开展相应的实验研究并为数值模拟提供对比数据具有显著的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种有限通道条件下流动控制技术对流场作用的实验测试装置，其中的流体通道包含了收缩段、整流段、可替换测试段和尾段，可替换测试段内设有可调壁面来实现不同的通道宽度参数，通过快拆板来实现不同流动控制技术方案对钝体尾迹区流场的考察，可视化实验采用PIV(ParticleImage Velocimetry)方法实现流体流动的拍摄过程。

本发明是通过以下技术方案来实现：