高速摄影仪研究单水滴运动的实验初探

　　在许多工程技术及研究工作中,测量液体喷雾及液体颗粒的特征及其运动是十分必要的。在文献[1, 2]中,为了研究饱和器内的喷雾水滴与湿空气之间的传热传质机理,采用了三维激光多普勒仪器PDA对喷雾水滴的大小、分布、浓度和流动情况进行了测量。但激光PDA对被测量颗粒的球形度要求很高,只有球形度很好的颗粒的信息才能被PDA采集到,这使得数据的采集率比较低,也无法特别准确的给出各截面上的水滴浓度和表面积。为此,本文在文献[1, 2]基础上,搭建了研究单水滴运动的实验装置,同时利用高速摄影仪,预期通过单个水滴的运动和其质量、体积等的变化规律,为今后详细研究多个甚至大量水滴的运动和蒸发传热、传质规律提供参考。

　　实验系统装置

　　水滴实验装置如图1所示,主要由5部分组成:风机、测量段、水滴生成器、高速摄影仪和连接进、出口水路的水箱。改变风机的频率调整进口空气的速度和流量,通过加热段后可以改变空气温度和湿度,阀门1可以控制进口水的流量和压力。

　　图2是水滴生成器详细示意图。该装置利用了水的表面张力和激振器的振动可以产生间隔时间均匀,并且球形度很好的水滴[3]。每个孔板上可以有一个或者几个孔(可以研究多水滴相互作用),每个孔的孔径很小,孔板的厚度也有多个规格。激振器产生一定频率和振幅的正弦波或方波,使得容器内水的容积有规律地发生变化,由于受到挤压和重力的作用,在微细孔径里的水不断被排出,同时在表面张力的作用下,使之形成水滴,并且具有较好的球形度。通过改变激振器的频率和振幅、孔板的孔径或者进口水的流量、压力,可以就得到具有不同粒径和初速度的水滴[4]。

　　高速摄影仪的测量

　　高速摄影仪是测试、研究运动和高速现象的一种非接触动态测量手段,能测出目标不同时刻的变化量。在高速摄影仪拍下的每个画面上,含有运动事物的空间信息,而且,这些空间信息是瞬时的,也就是说,含有时间信息在内,高速摄影的频率越高,表示它能把运动物体的运动或变化在时间上分开的能力越强。当然在实际使用中,为了取得空间信息和时间信息,还要采取一些措施,如空间的定标及在画幅上打上时标,零点讯号等,经过图像处理,就可以得到一些所需的物理量[5]。本文实验采用的高速摄影机是Rx5机型主机和镜头分离式系统,镜头在低速(小于等于1000pps)拍摄时,镜头的分辨率为1280×1024象素,最高的拍摄速度为10000pps。

　　本实验拍摄的水滴虽然数目少并且速度不是很高,但由于有水滴运动的尾迹影响,因此拍摄的快门速度不能太低。在实验中选择的快门频率为5000次/秒,拍摄图像频率是500幅/秒,每幅图片的分辨率为512×240象素。拍摄位置是水滴生成器出口下方160mm处,拍摄的区域为120mm×56. 3mm的矩形区域[6]。