一種風洞用piv示蹤粒子及其製備方法

2023-06-20 14:34:41 1

專利名稱：一種風洞用piv示蹤粒子及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種piv示蹤粒子，更特別地說，是指一種適用於風洞實驗用的piv示 蹤粒子，該piv示蹤粒子以輕質材料顆粒為芯核，並在芯核表面包覆有機物薄膜。
背景技術：
風洞實驗是空氣動力學研究中最基本的研究手段之一，其中的測試技術作為風洞 實驗的重要組成部分，其性能的優劣將直接影響風洞實驗的效果。隨著計算機及圖像處理 技術的發展，風洞測試技術也在飛速發展，PIV (Particle Image Velocimetry，粒子圖像測 速法)測試技術目前被廣泛地引入到風洞流場測量中。其測速原理是通過測量示蹤粒子在 已知很短時間間隔內的位移量來間接地測量流場中瞬態的速度分布。因此，示蹤粒子在PIV 測速中非常重要。 目前，風洞實驗中常用的PIV示蹤粒子主要有以下幾類第一類是將液體霧化成 液滴作為示蹤粒子，如將石蠟油霧化成液滴，雖然這類示蹤粒子在風洞流場中跟隨性好，但 會粘附在風洞壁及整流網上，給風洞帶來汙染；第二類是借用水洞中常用的示蹤粒子，如二 氧化鈦顆粒、二氧化矽顆粒、三氧化二鋁顆粒、氧化鎂顆粒、玻璃微珠、滑石粉、鋁粉、鎂粉， 由於這類示蹤粒子密度高，在風洞流場中跟隨性較差，而且由於其硬度高，在風洞實驗中， 容易磨損風洞中的模型、風扇或軸流式壓縮機軸承等部件，影響風洞的正常運行；第三類是 聚苯乙烯等高分子顆粒，這類示蹤粒子密度在1. lg/cm3左右，流場跟隨性好，而且也不容易 磨損風洞中的模型、風扇或軸承等部件，但是，這類高分子顆粒製備成本很高，而在風洞實 驗中，PIV示蹤粒子的用量很大，這將大大提高風洞實驗的費用，影響這類示蹤粒子在風洞 實驗中的應用。

發明內容
本發明的目的是提供一種風洞用PIV示蹤粒子，該風洞用PIV示蹤粒子以超細、輕 質澱粉或花粉顆粒材料為芯核，並在芯核的表面包覆一層有機物(改性劑)薄膜構成。該 風洞用PIV示蹤粒子的粒度為0. 5 ii m 22 ii m、密度為0. 5g/cm3 2. 0g/cm3，且具有窄的 粒度分布，較好的流場跟隨性及較低的製備成本。 本發明的另一目的是提出一種製備風洞用PIV示蹤粒子的方法，該方法首先將輕 質顆粒材料粉碎至0. 2 ii m 20 ii m粒度的細顆粒，然後對細顆粒進行乾燥處理獲得芯核， 最後在芯核的表面包覆一層有機物薄膜。該方法具有工藝簡單、穩定可靠、成本低等優點， 採用該方法所製備的風洞用PIV示蹤粒子具有較好的流場跟隨性和窄的粒度分布，能夠在 風洞中均勻分散，性能優異且穩定。 本發明製備一種風洞用PIV示蹤粒子的方法包括有下列步驟 第一步通過氣流粉碎或者振動磨粉碎的方法，將輕質顆粒材料粉碎至0. 2 ii m
20iim粒度的細顆粒； 所述的輕質顆粒材料可以是澱粉、花粉材料；
3
第二步將第一步製得的細顆粒在8(TC 13(TC條件下乾燥2h 4h，獲得製備示 蹤粒子的芯核顆粒； 第三步在第二步製得的芯核顆粒和有機物(改性劑)加入攪拌設備中，在攪拌環
境溫度為90°C 140。C，攪拌速度為1000r/min 2900r/min的條件下攪拌5min 15min
後，即製備得到具有疏水性、良好分散性及流場跟隨性的風洞用PIV示蹤粒子；在此步驟中，100g的芯核顆粒中添加0. 5g 2g的改性劑；有機物(改性劑)可
以是矽烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑中的一種或兩種。 本發明的風洞用PIV示蹤粒子具有如下的優點 ①採用超細、輕質澱粉、花粉材料作為芯核材料，製備的PIV示蹤粒子具有較低的
密度，在風洞實驗中具有良好的流場跟隨性。 ②所用的芯核材料為非人工合成，易獲取，成本低。 ③在測試過程中，由於芯核材料為低硬度、低強度的材料，在風洞PIV測試過程
中，PIV示蹤粒子對風洞中的模型、風扇或軸流式壓縮機軸承造成的磨損較低。 ④採用本發明方法製得的風洞用PIV示蹤粒子在風洞PIV測試中有更好的綜合性
能，其表現在與將液體霧化成液滴類的示蹤粒子相比，具有不汙染風洞和模型的優點。與
水洞中常用的示蹤粒子相比，具有更好的流場跟隨性，也不會造成風洞中模型、風扇或軸流
式壓縮機軸承等部件的磨損。與合成製備的聚苯乙烯等高分子顆粒示蹤粒子相比，具有更
低的實驗測試成本。


圖1是本發明實施例1製備的風洞用PIV示蹤粒子的掃描電鏡照片。 圖2是將實施例1製備的風洞用PIV示蹤粒子用於風洞PIV實驗中流場測試照片。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。 本發明是一種風洞用PIV示蹤粒子，是以超細、輕質顆粒材料為芯核，並在芯核的 表面包覆一層有機物(改性劑)薄膜構成。該風洞用PIV示蹤粒子的粒度為0.5ym 22iim、密度為0. 5g/cm3 2. 0g/cm3，且具有窄的粒度分布，較好的流場跟隨性及較低的制 備成本。 在本發明中，所述的超細、輕質顆粒材料為芯核為低強度、低硬度的柔性材料，如 澱粉、花粉材料，以防止在風洞PIV流場測試過程中，示蹤粒子磨損風洞中的模型、風扇或 軸流式壓縮機軸承。 在本發明中，所述的有機物薄膜(改性劑)是矽烷偶聯劑薄膜、鈦酸酯偶聯劑薄膜 或者鋁酸酯偶聯劑薄膜，其包覆量為芯核質量的0. 5% 2%。
本發明製備風洞用PIV示蹤粒子的方法包括有下列步驟 第一步通過粉碎的方法，將輕質顆粒材料粉碎至0. 2 ii m 20 ii m粒度的細顆 粒； 所述的輕質顆粒材料可以是澱粉、花粉材料。 在本發明中，粉碎的方法可以採用氣流粉碎或者振動磨粉碎。
第二步將第一步製得的細顆粒在8(TC 13(TC條件下乾燥2h 4h，獲得製備示 蹤粒子的芯核顆粒； 在本發明中，此步驟的乾燥目的是將細顆粒中的水份去除，進一步降低細顆粒的 密度，同時在後續的表面包覆有機物薄膜過程中，防止水份的揮發而破壞所包覆的有機物薄膜。
第三步在第二步製得的芯核顆粒和有機物(改性劑)加入攪拌設備中，在攪拌環
境溫度為90°C 140。C，攪拌速度為1000r/min 2900r/min的條件下攪拌5min 15min
後，即製備得到具有疏水性、良好分散性及流場跟隨性的風洞用PIV示蹤粒子。 在此步驟中，100g的芯核顆粒中添加0. 5g 2g的改性劑。有機物(改性劑)可
以是矽烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑中的一種或兩種。 有機物薄膜在芯核顆粒表面的包覆過程是在目前工業上常用的攪拌設備中進行
的，可以是高速攪拌機或者槳葉式混合機。 實施例1 :製備平均粒徑為13. 4 ii m的PIV示蹤粒子 芯核選取玉米澱粉顆粒材料； 改性劑選取鈦酸酯偶聯劑NDZ-401和矽烷偶聯劑A-151復配的偶聯劑，其中復配 比例為NDZ-401 : A-151 = 2 : 1。
製備過程 第一步通過氣流粉碎的方法，在粉碎氣流壓力0. 6MPa、分級輪轉速2000r/min條
件下對玉米澱粉顆粒進行超細粉碎，粉碎後的澱粉顆粒平均粒徑為13. 4 ii m ; 第二步將第一步製得的平均粒徑為13.4ym的玉米澱粉在11(TC條件下乾燥3h
後，製得乾燥芯核顆粒； 第三步將第二步製得乾燥的芯核顆粒和改性劑在高速混合機(選取SHR-5A高速 混合機，張家港市強大塑料機械有限公司生產)中，在攪拌環境溫度為12(TC，攪拌速度為 2200r/min的條件下攪拌15min後，製備得到疏水性、具有良好分散性及流場跟隨性的風洞 用PIV示蹤粒子。 用量100g的芯核顆粒中添加lg的改性劑。 所製備的PIV示蹤粒子掃描電鏡照片如圖l所示，從圖中可以觀察到通過本發明 方法製備得到的PIV示蹤粒子單個顆粒粒度分布在8 ii m 16 ii m之間，分散性好，密度為 1. lg/cm3 1. 7g/cm3。 在風洞PIV實驗中所測得的粒子圖像如圖2所示，從圖中可以觀察到明亮的光斑
是PIV示蹤粒子。該PIV示蹤粒子在風洞流場中，流場跟隨性較好，能夠充分的反應真實的
流場。說明經本實施例方法製得的PIV示蹤粒子能夠很好的進行粒子識別與圖像處理。試
驗結果表明，該PIV示蹤粒子是一種性能優異的風洞用PIV示蹤粒子。 實施例2 :製備平均粒徑為7. 6 ii m的PIV示蹤粒子 芯核選取油菜花粉顆粒材料； 改性劑選取鋁酸酯偶聯劑DL-2411-A。
製備過程 第一步通過振動磨粉碎的方法，粉碎3h後得到平均粒徑為7. 6ym的油菜花粉細 顆粒材料；
振動磨粉碎條件是振動頻率為55Hz，振幅為5mm，磨介質為三種直徑的氧化鋯 球，不同磨介質的用量為8mm氧化鋯球5mm氧化鋯球2咖氧化鋯球=5 : 3 : 2，粉碎 時間為30min ; 用量油菜花粉顆粒材料與磨介質的質量比為1 : 2; 在此步驟中，油菜花粉顆粒材料與磨介質佔振動磨粉碎設備的腔體體積的80%。
第二步將第一步製得的細顆粒在8(TC條件下乾燥4h，獲得製備示蹤粒子的芯核 顆粒； 第三步將第二步製得的芯核顆粒和改性劑在槳葉式混合機中，在攪拌環境溫度 為90°C ，攪拌速度為2900r/min的條件下攪拌5min後，製備得到疏水性、具有良好分散性及 流場跟隨性的風洞用PIV示蹤粒子。
用量100g的芯核顆粒中添加1. 5g的改性劑。 將實施例2製備的風洞用PIV示蹤粒子在掃描電鏡下觀察，其單個顆粒的粒度分 布在4iim 10iim之間，分散性好，密度為0. 8g/cm3 1. 0g/cm3。 將實施例2製備的風洞用PIV示蹤粒子用於風洞PIV實驗中，試驗結果表明，該 PIV示蹤粒子在風洞流場中，流場跟隨性較好，能夠充分的反應真實的流場。說明經本實施 例方法製得的PIV示蹤粒子是一種性能優異的風洞用PIV示蹤粒子。 本發明是一種以輕質材料顆粒為芯核，製備風洞用PIV示蹤粒子的方法，該方法 首先選取輕質材料(澱粉或者花粉)，對其進行超細粉碎處理，獲得粒度0. 2 ii m 20 ii m的 芯核顆粒，然後在其表面包覆一有機物(改性劑)薄膜，使其表面由親水性表面變為疏水性 表面，防止其在空氣中吸附水蒸氣而團聚，並提高芯核顆粒的分散性以及流動性，使其能夠 在空氣流場中均勻分散，並具有良好的流動跟隨性，從而製備得到一種風洞用PIV示蹤粒 子。該方法具有工藝簡單、穩定可靠、成本低等優點，採用該方法所製備的風洞用PIV示蹤 粒子能夠在風洞中均勻分散，具有良好的流場跟隨性，性能優異且穩定。
權利要求
一種風洞用PIV示蹤粒子，其特徵在於該風洞用PIV示蹤粒子是以澱粉或花粉顆粒材料為芯核，並在芯核的表面包覆一層有機物薄膜構成；有機物包覆量為芯核質量的0.5％～2％。
2. 根據權利要求1所述的風洞用PIV示蹤粒子，其特徵在於該風洞用PIV示蹤粒子的粒度為0. 5 ii m 22 ii m、密度為0. 5g/cm3 2. 0g/cm3。
3. —種製備如權利要求1所述的風洞用PIV示蹤粒子的方法，其特徵在於有下列步驟第一步通過氣流粉碎或者振動磨粉碎的方法，將澱粉或者花粉材料粉碎至0. 2 m 20iim粒度的細顆粒；第二步將第一步製得的細顆粒在80°C 13(TC條件下乾燥2h 4h，獲得製備示蹤粒子的芯核顆粒；第三步在第二步製得的芯核顆粒和有機物加入攪拌設備中，在攪拌環境溫度為90°C 140。C，攪拌速度為1000r/min 2900r/min的條件下攪拌5min 15min後，製得風洞用PIV示蹤粒子；在此步驟中，100g的芯核顆粒中添加0. 5g 2g的有機物；有機物可以是矽烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑中的一種或兩種。
全文摘要
本發明公開了一種風洞用PIV示蹤粒子及其製備方法，該風洞用PIV示蹤粒子以澱粉或花粉顆粒材料為芯核，並在芯核的表面包覆一層0.5wt％～2wt％的有機物薄膜構成。該風洞用PIV示蹤粒子的粒度為0.5μm～22μm、密度為0.5g/cm3～2.0g/cm3。製備風洞用PIV示蹤粒子首先選取輕質材料，對其進行超細粉碎處理，獲得粒度0.2μm～20μm的芯核顆粒，然後在其表面包覆一有機物薄膜，使其表面由親水性表面變為疏水性表面，防止其在空氣中吸附水蒸氣而團聚，並提高芯核顆粒的分散性以及流動性，使其能夠在空氣流場中均勻分散，並具有良好的流動跟隨性。該方法具有工藝簡單、穩定可靠、成本低等優點，採用該方法所製備的風洞用PIV示蹤粒子能夠在風洞中均勻分散，具有良好的流場跟隨性，性能優異且穩定。
文檔編號G01M9/00GK101718617SQ20091023799
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者吳芸, 沈志剛, 蔡楚江, 邢玉山, 麻樹林 申請人:北京航空航天大學