一种均匀来流中柔性体运动可视化研究装置

摘要

本发明公开了一种均匀来流中柔性体运动可视化研究装置，包括有：风机，该风机出风口的截面积为S1；与风机出风口相连通的稳定管，该稳定管的截面积为S2，则S2≥5S1；与稳定管相连通的过渡管，该过渡管为直管；与过渡管相连通的实验管，该实验管采用透明材料制成；与实验管相连通的扩散管，该扩散管为直管，扩散管的直径为D3，扩散管的长度为L3，则L3≥6D3；安装于实验管内的托架；实验管进口与过渡管出口直径相一致风机、稳定管、过渡管、实验管、扩散管按序依次装配。柔性体的运动轨迹、速度和形态都可以直接观察到，或者通过高速摄像机拍摄下来，从而实现柔性体三维可视化的研究，而且来流的速度没有限制，可用于雷诺数较大时的柔性体实验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性体研究装置，尤其是一种均匀来流中柔性体运动可视化研究装置。

背景技术

气力输送常见于各类新型纺纱工艺中，如转杯纺，喷气涡流纺等，而此类纺纱工艺采用纤维等柔性体作为原材料，其成纱质量和成纱效率取决于柔性体在输送腔内的运动、和柔性体与气流之间的耦合作用。因此，对柔性体在均匀来流中的运动进行研究，具有非常重要的意义。

其中，柔性体主要指纤维，新型自由端纺纱(如转杯纺)主要是依靠气流来实现纤维的输送，在纤维纺制成纱线的过程中，会有一个分梳过程即将纤维条子(也就是纤维团)通过分梳辊作用下实现梳理分离成单根纤维，分梳后的单根纤维会被吸入到一个叫输棉通道的腔体(往往是减缩型)，实验研究的重点即纤维在该腔体内的运动，及相应的参数，如来流速度、腔体渐缩度以及纤维初始形态等对纤维运动的影响(经验和研究表明最后纤维出这个通道的形态会影响最终成纱质量，伸直状态有利于提高后续成纱的质量)。

目前，对于此类问题的研究多集中在数值模拟研究上，较少采用实验研究的方式进行，且现有实验研究也只能研究柔性细丝在二维流动皂膜中的运动。如图1所示，现有二维流动皂膜的实验研究装置为装肥皂液容器1a，在该装肥皂液容器1a下方安装一带止水阀的喷嘴2a，该喷嘴2a下方安置两平行设置的支撑线3a，两支撑线3a呈自由落体形式设置，通过外力将两支撑线3a拉开，并使两支撑线3a间形成实验区4a。当喷嘴2a打开后，肥皂液将顺着支撑线3a下流，并在两支撑线3a间实验区4a处形成肥皂膜，喷嘴2a一直打开的状态下，肥皂膜上形成源源不断向下流的肥皂液，由此模拟气流(均匀来流)。将柔性细丝5a放置于托架上，然后 将托架靠近肥皂膜(托架不与肥皂膜接触)，使得柔性细丝5a与肥皂膜接触，并顺着肥皂膜表面流动的肥皂液运动，然后通过观察该柔性细丝5a的状态来达到研究目的。

但事实上，柔性体在输送腔内的运动过程较为复杂，而流动皂膜内柔性体的运动无法实现三维的测算结果，因此与实际运动存在较大差别，并不能为实验研究提供最真实的数据信息。另外，来流速度不可调或可调区间很小，只能实现低雷诺数条件下柔性细丝运动的研究，因为高雷诺数下肥皂膜容易破裂。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单，安装方便，可实现柔性体三维可视化测量的均匀来流中柔性体运动可视化研究装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种均匀来流中柔性体运动可视化研究装置，包括有：

风机，该风机出风口的截面积为S₁；

与风机出风口相连通的稳定管，该稳定管的截面积为S₂，则S₂≥5S₁；

与稳定管相连通的过渡管，该过渡管为直管；

与过渡管相连通的实验管，该实验管采用透明材料制成；

与实验管相连通的扩散管，该扩散管为直管，扩散管的直径为D₃，扩散管的长度为L₃，则L₃≥6D₃；

安装于实验管内的托架；

所述过渡管处与实验管相接合的管口为过渡管出口，实验管处与过渡管相接合的管口为实验管进口，该实验管进口与过渡管出口直径相一致

风机、稳定管、过渡管、实验管、扩散管按序依次装配。

本发明的有益效果是：开启风机，风机吹出的风称为来流，该来流为具有一定压力的风，此时来流并不稳定，来流进入稳定管后，由稳压管实现气流的稳定。稳定后的来流进入过渡管，该过渡管为直管，通过过渡管实现稳定管和实验管之间气流的光滑过渡，避免因为截面尺寸的突变导致气流变乱，影响实验效果。扩散管则避免实验管和外界环境的直接接触，减少外界气流对实验管内流场的干扰。柔性体架设于托架上，当来自稳压 管的来流进入实验管后吹起托架上的柔性体，此时柔性体的运动轨迹、速度和形态都可以直接观察到，或者通过高速摄像机拍摄下来，从而实现柔性体三维可视化的研究，而且来流的速度没有限制，可用于雷诺数较大时的柔性体实验。

由于风机的功率往往是恒定的，因此在风机出风口处还设有调节旁路，该调节旁路处安装有旁路阀。通过调节旁路阀的开启大小，可以调节风机出风口的风量，达到来流的流量控制。

为了便于统计和操控，则风机和稳定管间安装有流量计。

其中，实验管处开设有沿实验管轴向分布的上螺孔和下螺孔，上螺孔位于实验管顶部，下螺孔位于实验管底部，所述托架包括有上托架和下托架，上托架包括与上螺孔相配合的上螺杆，该上螺杆的底部固定有上托件；下托架包括与下螺孔相配合的下螺杆，该下螺杆的顶部固定有下托件。通过调节上螺杆，可以实现上托件在实验管内位置的升降；同理，通过调节下螺杆，实现下托件在实验管内位置的升降。柔性体的一端安置于上托件处，另一端安置于下托件处，从而实现柔性体的架设。通过上托架和下托架的配合，可以实现柔性体初始形态的调整，柔性体可以水平架设、也可以与水平面呈一定角度架设。

根据柔性体长度的不同，则需要调节上托架和下托架间的距离。因此下螺孔的数量至少有三个，各下螺孔沿着实验管的轴向排列；下螺孔处还设有封堵，封堵数量比下螺孔数量少一个。多个下螺孔中有一个与下托架相配合，其他需要通过封堵进行密封，避免出现气流的泄露，影响实验效果。

上螺杆和上托件间通过上连接杆连接，该上连接杆的直径小于5mm；所述下螺杆和下托件间通过下连接杆连接，该下连接杆的直径小于5mm。此处，上连接杆和下连接杆是越细越好，由此减少其对柔性体周围流场的干扰。

为了方便下螺杆在不同下螺孔间位置的调换，因此下螺杆和下托件间为可拆卸连接配合。

为了便于柔性体的安放，及减少受托件干扰的来流，则上托件和下托件均为U型结构，该U型结构具有贯穿上托件或下托件的通道，上托件 和下托件的开口方向均向上设置，且通道方向与实验管轴向相一致。

其中，实验管和过渡管间、及实验管和扩散管间均通过法兰结构连接。实验管的形状可根据柔性体实际输送管道结构进行修改，如截面为方形或跑道型，或者轴向具有一定弯曲度或减缩度。

附图说明

图1为现有二维流动皂膜的实验研究装置。

图2为本发明实施例的结构示意图。

图3为本发明实施例的实验管的结构示意图。

图4为本发明实施例上托架的结构示意图。

图5为本发明实施例下托架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

所谓直管，为管体轴线为直线，且管体直径处处相同。

如图2～5所示，本实施例包括按序依次装配的风机1、稳定管2、过渡管3、实验管4和扩散管5。所有管件均包括有进口和出口。风机1出风口的截面积为S₁，风机1出风口与稳定管2进口相连通，稳定管2的截面积为S₂，且S₂≥5S₁；稳定管2出口与过渡管3进口相连通，过渡管3为直管；过渡管3出口与实验管4进口相连通，且过渡管3出口和实验管4进口的直径保持一致；实验管4出口与扩散管5进口相连通，而扩散管5出口与外界环境自由连通；扩散管5为直管，扩散管5的直径为D₃，扩散管5的长度为L₃，则L₃≥6D₃。实验管4和过渡管3间、及实验管4和扩散管5间均通过法兰结构连接。实验管4的形状可根据柔性体实际输送管道结构进行修改，如截面为方形或跑道型，或者轴向具有一定弯曲度或减缩度。实验管4采用透明材料制成，而透明材料都是现有常规的材料，如透明的玻璃、PVC、PE等材料。风机1和稳定管2间安装有用于测量所经气流量的流量计61。在风机1出风口处还设有调节旁路62，该调节旁路62处安装有旁路阀63。其中，S₁和S₂的面积并无限制，只要符合S₂≥5S₁均能满足实施例需求。同理，D₃和L₃的数值也没有无限制，只要 符合L₃≥6D₃均能满足实施例需求。本实施例中，S₁为300平方厘米，则S₂为1800平方厘米；而D₃为10厘米，L₃为80厘米。另外，S₁的取值一般大于100平方厘米，而D₃的长度一般大于5厘米。

实验管4处开设有沿实验管4轴向分布的上螺孔41和下螺孔42，上螺孔41位于实验管4顶部，下螺孔42位于实验管4底部。在实验管4内还设有用于柔性体架设的托架7，该托架7包括有上托架71和下托架72，上托架71包括与上螺孔41相配合的上螺杆711，该上螺杆711的底部固定有上托件712；下托架72包括与下螺孔42相配合的下螺杆721，该下螺杆721的顶部固定有下托件722。通过旋转螺杆，可以实现螺杆的升降。下螺杆721和下托件722间采用插拔配合，即下托件722处设有供下螺杆721端部插设用的插孔。下螺孔42的数量有五个，各下螺孔42沿着实验管4的轴向排列，其中一个下螺孔42与下螺杆721相配合，其他下螺孔42则通过封堵进行封闭。通过上托架71和下托架72的配合，可以实现柔性体8形态的调整，柔性体8可以水平架设、也可以与水平面呈一定角度架设。上螺杆711和上托件712间通过上连接杆713连接，该上连接杆713的直径小于5mm；下螺杆721和下托件722间通过下连接杆723连接，该下连接杆723的直径小于5mm。此处，上连接杆713和下连接杆723是越细越好，由此减少其对柔性体8周围流场的干扰。上托件712和下托件722为U型结构，上托件712和下托件722的开口方向均向上设置，柔性体8可安放于U型结构的开口处，起到稳定安装的作用，该U型结构具有贯穿上托件712或下托件722的通道，且通道方向与实验管4轴向相一致，从而减少托件对来流的干扰，尽量保证气流直接通过通道，并不受干扰地带起架设于U型结构开口处(也即通道处)的柔性体8。

本发明中，开启风机1，风机吹出的风称为来流，该来流为具有一定压力的风，此时来流并不稳定，来流进入稳定管2后，由稳压管2实现气流的稳定。稳定后的来流进入过渡管3，该过渡管3为直管，通过过渡管3实现稳定管2和实验管4之间气流的光滑过渡，避免因为截面尺寸的突变导致气流变乱，影响实验效果。扩散管则避免实验管4和外界环境的直接接触，减少外界气压对实验管4内流场的影响。柔性体8架设于托架7上，当来自稳压管2的来流进入实验管4后吹起托架7上的柔性体8，此 时柔性体8的运动轨迹、速度和形态都可以直接观察到，或者通过高速摄像机拍摄下来，从而实现柔性体8三维可视化的研究，而且来流的速度没有限制，可用于雷诺数较大时的柔性体实验。