用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的装置及方法
阅读说明：本技术 用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的装置及方法 (Device and method for measuring speed of particle image of inner wall flow field of crystallizer water gap model ) 是由 王敏 华承健 包燕平 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于冶金行业的结晶器水口技术领域,具体涉及用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的装置及方法。储液容器,测速系统,液泵,控制系统,所述储液容器、液泵和测速系统闭合连通；所述液泵和测速系统分别设置在所述储液容器两端；所述控制系统与储液容器、液泵和测速系统通信连接；所述测速系统通过在结晶器水口模型内壁设置耐火材料来模拟结晶器水口内壁粗糙度,进而对结晶器水口模型内壁的流场进行测速。本发明可以获得结晶器水口模型壁面附近流场信息,该信息可以用于夹杂物在流场中运动行为研究,结晶器水口研发,流动计算数学模型开发等方面。(The invention belongs to the technical field of crystallizer nozzles in the metallurgical industry, and particularly relates to a device and a method for measuring the speed of a particle image of a flow field on the inner wall of a crystallizer nozzle model. The system comprises a liquid storage container, a speed measuring system, a liquid pump and a control system, wherein the liquid storage container, the liquid pump and the speed measuring system are communicated in a closed manner; the liquid pump and the speed measuring system are respectively arranged at two ends of the liquid storage container; the control system is in communication connection with the liquid storage container, the liquid pump and the speed measuring system; the speed measurement system simulates the roughness of the inner wall of the crystallizer nozzle by arranging refractory materials on the inner wall of the crystallizer nozzle model, so that the speed measurement is carried out on the flow field of the inner wall of the crystallizer nozzle model. The method can obtain the flow field information near the wall surface of the crystallizer nozzle model, and the information can be used for the aspects of motion behavior research of inclusions in the flow field, research and development of the crystallizer nozzle, development of a flow calculation mathematical model and the like.)
技术领域
本发明属于冶金行业的结晶器水口技术领域，具体涉及用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的装置及方法。
背景技术
结晶器水口位于中间包到结晶器之间，承担着中间包内钢液运输到结晶器的作用。钢液在结晶器水口内的流动是一个高温的过程，现有技术手段很难直接测量其流场。现阶段研究结晶器水口内壁流体流场一般采用数值模拟，或物理模拟方法，但数值计算结果受网格质量，边界条件种类，和流动计算采用的数学模型种类影响。因此，钢液在结晶器水口内壁流场研究一直是热点和难点。相关研究表明，根据流动相似性原理，水可以作为模拟钢液流动的介质。
粒子图像测速法是一种流体测速方法，相比于其他流体测速方法，该方法无需接触待测量流体；搭载高频激光器和高速相机，可以获得高时间分辨率和空间分辨率的流场，内置互相关算法的计算机可以在不重复实验的条件下，最大限度的挖掘流场信息。但是该测量方法要求待测区域有一定的透光性。真实的结晶器水口不透光，不能使用粒子图像测速设备直接测量其内部流体流速。目前使用物理模拟研究结晶器水口内流体流速是采用透光的有机材料按照真实的结晶器水口几何尺寸制作结晶器水口模型，但该模型与真实的结晶器水口表面特征存在一定的差异。表面特征会影响流场测量结果。而且结晶器水口存在一定的曲率，对于带有曲率的模型流场测量一直是流体测速的难点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的装置及方法，所述方法采用所述装置模拟结晶器水口处的流场并对该流场进行测速，进而得到模拟结晶器水口的流场信息。本发明可以获得结晶器水口模型壁面附近流场信息，该信息可以用于夹杂物在流场中运动行为研究，结晶器水口研发，流动计算数学模型开发等方面。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的装置，所述装置包括：
储液容器，用于容纳模拟结晶水口流场的液体；
测速系统，用于对结晶器水口模型内壁流场粒子进行测速；
液泵，用于向结晶器水口模型泵入带示踪粒子的液体并控制液体流速；
控制系统，用于控制所述储液容器、液泵和测速系统、计算流场粒子速度；
所述储液容器、液泵和测速系统闭合连通；
所述液泵和测速系统分别设置在所述储液容器两端；
所述控制系统与储液容器、液泵和测速系统通信连接；
所述测速系统通过在结晶器水口模型内壁设置耐火材料来模拟结晶器水口内壁粗糙度，进而对结晶器水口模型内壁的流场进行测速。
进一步地，所述耐火材料为铝碳质耐火材料或锆碳质耐火材料。
进一步地，所述测速系统包括：水棱镜、耐火材料块、结晶器水口模型、截止滤波片、中长工作距离显微镜、高速相机和片光源；所述耐火材料块粘贴在所述结晶器水口模型内壁，可以选择使用耐候胶进行粘贴；
所述水棱镜与结晶器水口模型连接；所述水棱镜设置在结晶器水口模型外并靠近所述液体容器；
所述截止滤波片设置在水棱镜外并靠近水棱镜壁面；
所述中长工作距离显微镜与高速相机连接；所述中长工作距离显微镜位于水棱镜外侧，距水棱镜外壁50～60cm。
所述片光源置于水棱镜外，距离水棱镜外壁10～30cm。
进一步地，所述中长工作距离显微镜设置在所述高速相机前，中长工作距离显微镜的工作距离在45～60cm，工作距离比传统显微镜大，可以研究所述结晶器水口模型内壁壁面附近毫米尺度的流场，对这种毫米尺度的流场测量是存在很大难度的。
进一步地，使用耐候胶粘贴或密封时，在耐候胶涂抹完毕后，需要在干燥的条件下等待6小时以上，以保证耐候胶完全凝固。
进一步地，所述水棱镜用于拍摄带有曲率的结晶器水口模型内的示踪粒子。
进一步地，所述截止滤波片用于消除所述结晶器水口模型内壁的反射光，只允许示踪粒子的荧光通过所述截止滤波片。
进一步地，所述截止滤波片用于滤掉波长小于540nm的可见光。
进一步地，所述结晶器水口模型和水棱镜的材料均为透光的有机材料，有机材料的折射率接近于水。
进一步地，所述耐火材料块的尺寸为长10～12mm，宽15～20mm，厚1～2mm。
进一步地，所述液泵为水泵；所述储液容器为水箱；所述控制系统为计算机。
进一步地，所述水泵为自吸式水泵或其他种类水泵。
进一步地，所述装置还包括流量计；所述流量计设置在液泵和测速系统之间。
进一步地，所述储液容器、流量计和测速系统采用连接水管进行连通。
进一步地，所述流量计为转子流量计或其他种类流量计。
本发明的另一目的在于提供一种用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的方法，所述方法采用上述所述装置模拟结晶器水口处的流场并对该流场进行测速，进而得到模拟结晶器水口的流场信息，所述流场信息包括瞬态流场速度、时均流场速度、流场脉动速度、剪切和旋涡强度、湍流动能和雷诺应力。
进一步地，所述方法具体包括以下步骤：
S1，向储液容器、结晶器水口模型和水棱镜内装水，在测量区域内放置一把刻度尺，调整中长工作距离显微镜的位置和焦距直至刻度尺上的刻度清晰可辨，使用控制系统对测量区域进行尺寸标定；
S2，启动液泵，向储液容器内播撒示踪粒子；调节片光源在测量区域中的片光的厚度；
S3，待流量计示数稳定后，控制系统设置两束激光的时间间隔和相机曝光次数，使得两次曝光下流场中示踪粒子运动最大位移在5-10像素之间；
S4，片光源发射激光，相机同步曝光；相机曝光后将带有粒子图像的照片传输到控制系统内，使用控制系统进行流场结果分析，最终得到模拟结晶器水口的流场信息。
进一步地，所述测量区域为耐火材料块所处的位置及其周围几个毫米范围内，具体是几个毫米需根据实际测量为准。
进一步地，所述控制系统内置互相关算法。
进一步地，所述控制系统中安装粒子图像测速商业软件Davis 8.4.0软件，利用该软件对结晶水口模型处的流场进行图像采集控制和图像后处理(互相关算法计算流场信息)。
进一步地，所述控制系统为计算机。
进一步地，所述示踪粒子的直径为1～55μm，最大激发波长为570nm，最大发射波长610nm。
进一步地，所述片光的厚度为1±0.5mm。
进一步地，所述片光源发射出的激光是由Nd:YAG激光器发射的532nm波长的绿光。
进一步地，所述方法在测速时，以水棱镜内装水量以覆盖测量区域为准；储液容器内装水量以结晶器水口模型内充满水为准。
进一步地，所述片光源发射两次激光，相机同步曝光两次。
进一步地，调节中长工作距离显微镜的位置和焦距时，需调节直至测量区域内的荧光示踪粒子清晰可辨；若测量区域示踪粒子过少，需向储液容器内补充示踪粒子。
进一步地，所述结晶水口内流体的流量与连铸坯的关系为：连铸坯拉速越快，结晶器水口内流体流量越大，根据质量守恒定理，拉速v(m/min),铸坯断面宽度a(m)，铸坯断面厚度b(m)，结晶器水口内横截面面积s(m2)，与结晶器水口内流量Q(m3/min)有以下关系：
根据式(1)可以测量不同拉速下(不同流量)的结晶器水口模型内壁流场信息。
进一步地，采用计算机进行流场结果分析具体内容为：
将相机采集的流场区域划分成多个问询域窗口；提取每个问询域窗口(i,j)处的在流场t时刻的灰度函数为F(i,j)和t+△t时刻的灰度函数为G(i,j)，带入互相关函数：
R(x,y)＝F(i,j)×G(i+x,j+y)＝F(i,j)×F(i+x-△x,j+y-△y)
R(x,y)为互相关函数，互相关函数在点(△x,△y)在取得峰值，(△x,△y)是一个二维矢量，即为时间间隔△t下，问询域窗口(i,j)处的粒子运动位移；示踪粒子在(i,j)处的速度vx(i,j)＝Δx/Δt，vy(i,j)＝Δy/Δt；
vx(i,j)为流场中(i,j)处x方向速度分量，vy(i,j)为流场中(i,j)处y方向速度分量，△t为两束激光的时间间隔。
本发明至少具有如下有益技术效果：
本发明可以获得结晶器水口模型壁面附近流场信息，该信息可以用于夹杂物在流场中运动行为研究，结晶器水口研发，流动计算数学模型开发，等方面。
附图说明
图1为本发明实施例中一种用于结晶器水口内壁流场粒子图像测速的装置结构示意图。
图2为本发明实施例中流体流速测量光路安排示意图。
图3为本发明实施例中的实验流程示意图。
图4为本发明实施例中结晶器水口内壁流场互相关算法测量结果示例。
图5为本发明实施例中流场测量结果。
附图标记说明：1—水棱镜，2—结晶器水口模型，3—水箱，4—连接水管，5—阀门，6—水泵，7—流量计，8—直角弯头，9—直通变径，10—耐火材料块，11—截止滤波片，12—片光源，13—中长工作距离显微镜，14—高速相机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及说明书附图，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参考图1和图2，在本实施例中，提出一种用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的装置，所述装置包括：
储液容器，用于容纳模拟结晶水口流场的液体；
测速系统，用于对结晶器水口模型内壁流场粒子进行测速；
液泵，用于向结晶器水口模型泵入带示踪粒子的液体并控制液体流速；
控制系统，用于控制所述储液容器、液泵和测速系统、计算流场粒子速度；
所述储液容器、液泵和测速系统闭合连通；
所述液泵和测速系统分别设置在所述储液容器两端；
所述控制系统与储液容器、液泵和测速系统通信连接；
所述测速系统通过在结晶器水口模型内壁设置耐火材料来模拟结晶器水口内壁粗糙度，进而对结晶器水口模型内壁的流场进行测速。
在本实施例和其他实施例中，所述装置采用直角弯头和直通变径来实现所述储液容器、液泵和测速系统的闭合连通；采用阀门来控制液体的流通。
在本实施例中，所述耐火材料为铝碳质耐火材料。
在其他实施例中，所述耐火材料为锆碳质耐火材料。
在本实施例中，所述测速系统包括：水棱镜1、耐火材料块10、结晶器水口模型2、截止滤波片11、中长工作距离显微镜13、高速相机14和片光源12；所述耐火材料块10粘贴在所述结晶器水口模型2内壁，可以选择使用耐候胶进行粘贴；
所述耐火材料块10为钢液浇注结束后从真实的结晶器水口内壁取下的耐火材料；
所述水棱镜1与结晶器水口模型2连接；所述水棱镜1设置在结晶器水口模型2外并靠近所述液体容器；
所述截止滤波片11设置在水棱镜1外并靠近水棱镜1壁面；
所述中长工作距离显微镜13与高速相机14连接；所述中长工作距离显微镜13位于水棱镜1外侧，距水棱镜1外壁50～60cm。
所述片光源12置于水棱镜1外，距离水棱镜1外壁10～30cm。
在本实施例中，所述中长工作距离显微镜13设置在所述高速相机14前，中长工作距离显微镜13的工作距离在45～60cm，工作距离比传统显微镜大，可以研究所述结晶器水口模型2内壁壁面附近毫米尺度的流场，对这种毫米尺度的流场测量是存在很大难度的。
在本实施例中，使用耐候胶粘贴或密封时，在耐候胶涂抹完毕后，需要在干燥的条件下等待6小时以上，以保证耐候胶完全凝固
在本实施例中，所述水棱镜1用于拍摄带有曲率的结晶器水口模型2内的示踪粒子。
在本实施例中，所述截止滤波片11用于消除所述结晶器水口模型2内壁的反射光，只允许示踪粒子的荧光通过所述截止滤波片11。
在本实施例中，所述截止滤波片11用于滤掉波长小于540nm的可见光。
在本实施例中，所述结晶器水口模型2和水棱镜1的材料均为透光的有机材料，有机材料的折射率接近于水。
在本实施例中，所述耐火材料块10的尺寸为长10mm，宽15mm，厚1mm。
在本实施例中，所述液泵为水泵6；所述储液容器为水箱3；所述控制系统为计算机。
在本实施例和其他实施例中，所述水泵6为自吸式水泵。
在本实施例中，所述装置还包括流量计7；所述流量计7设置在液泵和测速系统之间。
在本实施例中，所述储液容器、流量计7和测速系统采用连接水管4进行连通。
在本实施例中，所述流量计7为转子流量计，转子流量计需竖直放置。
参考图3，在本实施例和其他实施例中，提供用于结晶器水口模型2内壁流场粒子图像测速的方法，所述方法采用上述所述装置模拟结晶器水口处的流场并对该流场进行测速，进而得到模拟结晶器水口的流场信息，所述流场信息包括瞬态流场速度、时均流场速度、流场脉动速度、剪切和旋涡强度、湍流动能和雷诺应力。
在本实施例和其他实施例中，所述方法具体包括以下步骤：
S1，向储液容器、结晶器水口模型2和水棱镜1内装水，在测量区域内放置一把刻度尺，调整中长工作距离显微镜13的位置和焦距直至刻度尺上的刻度清晰可辨，使用控制系统对测量区域进行尺寸标定；
S2，启动液泵，向储液容器内播撒示踪粒子；调节片光源12在测量区域中的片光的厚度；
S3，待流量计7示数稳定后，控制系统设置两束激光的时间间隔和相机曝光次数，使得两次曝光下流场中示踪粒子运动最大位移在5-10像素之间；
S4，片光源12发射激光，相机同步曝光；相机曝光后将带有粒子图像的照片传输到控制系统内，使用控制系统进行流场结果分析，最终得到模拟结晶器水口的流场信息。所述测量区域为耐火材料块10所处的位置及其周围几个毫米范围内，具体是几个毫米需根据实际测量为准。
在本实施例和其他实施例中，所述控制系统内置互相关算法。
在本实施例和其他实施例中，所述计算机中安装粒子图像测速商业软件Davis8.4.0软件，利用该软件对结晶水口模型处的流场进行图像采集控制和图像后处理(互相关算法计算流场信息)。
在本实施例和其他实施例中，所述控制系统为计算机。
在本实施例中，所述示踪粒子的直径为10μm，最大激发波长为570nm，最大发射波长610nm。
在另一实施例中，所述示踪粒子的直径为1μm。
在其他实施例中，所述示踪粒子的直径为55μm。
在本实施例和其他实施例中，所述片光的厚度为1mm。
在本实施例和其他实施例中，所述片光源12发射出的激光是由Nd:YAG激光器发射的532nm波长的绿光。
在本实施例和其他实施例中，所述方法在测速时，以水棱镜1内装水量以覆盖测量区域为准；储液容器内装水量以结晶器水口模型2内充满水为准。
在本实施例和其他实施例中，所述片光源12发射两次激光，相机同步曝光两次。
在本实施例和其他实施例中，调节中长工作距离显微镜13的位置和焦距时，需调节直至测量区域内的荧光示踪粒子清晰可辨；若测量区域示踪粒子过少，需向储液容器内补充示踪粒子。
在本实施例和其他实施例中，所述结晶水口内流体的流量与连铸坯的关系为：连铸坯拉速越快，结晶器水口内流体流量越大，根据质量守恒定理，拉速v(m/min),铸坯断面宽度a(m)，铸坯断面厚度b(m)，结晶器水口内横截面面积s(m2)，与结晶器水口内流量Q(m3/min)有以下关系：
根据式(1)可以测量不同拉速下(不同流量)的结晶器水口模型2内壁流场信息。
在本实施例和其他实施例中，采用控制系统进行流场结果分析具体内容为：
将相机采集的流场区域划分成多个问询域窗口；
提取每个问询域窗口(i,j)处的在流场t时刻的灰度函数为F(i,j)和t+△t时刻的灰度函数为G(i,j)，带入互相关函数：
R(x,y)＝F(i,j)×G(i+x,j+y)＝F(i,j)×F(i+x-△x,j+y-△y)
R(x,y)为互相关函数，互相关函数在点(△x,△y)在取得峰值，(△x,△y)是一个二维矢量，即为时间间隔△t下，问询域窗口(i,j)处的粒子运动位移；示踪粒子在(i,j)处的速度vx(i,j)＝Δx/Δt，vy(i,j)＝Δy/Δt；
vx(i,j)为流场中(i,j)处x方向速度分量，vy(i,j)为流场中(i,j)处y方向速度分量，△t为两束激光的时间间隔。
在本实施例和其他实施例中，将所述装置和方法应用于国内某厂直通型结晶器水口，将该直通型结晶器水口的模型至于所述装置中，再采用所述方法对该直通型结晶器水口的模型进行内壁流场粒子图像测速。
所述直通型结晶器水口内径为40mm，铸坯断面220mm×260mm，拉速0.9m/min，根据式(1)计算得出，在所述结晶器水口模型2处的水流量为41L/min。
以上对本申请实施例所提供的用于结晶器水口模型内壁流场粒子图像测速的装置及方法进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。